JP2005315298A - Active type vibration isolating device and active type vibration isolating method - Google Patents

Active type vibration isolating device and active type vibration isolating method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an active type vibration isolating device to work while the behavior of the object mounted likely influencing the vibration isolating performance is taken into consideration. <P>SOLUTION: The active type vibration isolating device 1 to make vibratory isolation of the object mounted 2 is equipped with a table 3 to admit placing of the object 2 and having an elastic vibration mode within the frequency range to be vibratory isolated, a plurality of actuators 11 to drive the table 3, table sensors 13 and 14 to measure the conditional amount of the table 3, and a control part 9 to control the actuators 13 and 14 using the output of the sensors 13 and 14 and on the basis of the conditional equation with the elastic vibration mode of the table 3 taken into consideration, wherein the device further has a sensor 10 for placed object to measure the conditional amount of the object 2, while the control part 9 controls the actuators 11 using the output of the object sensor 10. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、アクティブ除振装置およびアクティブ除振方法に関するものである。より具体的には、大型にして軽量、もしくは薄型の除振テーブルの垂直・水平3次元方向のアクティブ制御に関し、さらに除振台に搭載物が載置された場合の影響を考慮したアクティブ除振装置およびアクティブ除振方法に関する。   The present invention relates to an active vibration isolation device and an active vibration isolation method. More specifically, with regard to active control in the vertical and horizontal three-dimensional directions of a large, lightweight, or thin vibration isolation table, active vibration isolation that takes into account the effects when a load is placed on the vibration isolation table The present invention relates to an apparatus and an active vibration isolation method.

従来、光学計測機器や超精密加工機械などの機械装置では、環境振動によって測定誤差や加工精度の低下を来すことから、これらを嫌振機械と称して振動絶縁あるいは除振という方法が講じられてきた。   Conventionally, in mechanical devices such as optical measuring instruments and ultra-precision processing machines, measurement errors and processing accuracy are reduced due to environmental vibration, so these are called vibration isolating machines and methods of vibration isolation or vibration isolation have been taken. I came.

その方法はパッシブ除振とアクティブ除振に大別される。
パッシブ除振は重量の重い除振テーブルを支持バネとダンパによって基礎面から支持して、地盤から伝達される振動を台上で低減する方法である。この方法は簡単で安価に構成できるが、除振効果は除振テーブルの質量と支持バネのバネ定数で定まる固有振動数の1.5倍を超えないと生じないので、低い振動数での除振に限界があり、また制振性能を高めると除振性能が低下する。そのため、制振性能を低くすると除振テーブル上に置かれた機械で発生する振動には対応できない。つまり、除振性能と制振性能は両立しない。アクティブ除振はこの問題を解決するために最近登場した方法である。
The methods are roughly classified into passive vibration isolation and active vibration isolation.
Passive vibration isolation is a method of reducing vibration transmitted from the ground on a table by supporting a heavy vibration isolation table from a base surface by a support spring and a damper. This method is simple and inexpensive, but the vibration isolation effect does not occur unless it exceeds 1.5 times the natural frequency determined by the mass of the vibration isolation table and the spring constant of the support spring. There is a limit to the vibration, and if the vibration control performance is increased, the vibration isolation performance decreases. For this reason, if the vibration damping performance is lowered, the vibration generated by the machine placed on the vibration isolation table cannot be handled. That is, vibration isolation performance and vibration suppression performance are not compatible. Active vibration isolation is a recently introduced method to solve this problem.

アクティブ除振は、パッシブ除振におけるダンパを、電磁式リニアモータや空気圧アクチュエータのような外部からのエネルギー投入によって駆動するアクチュエータに置き換え、振動センサによって地盤と除振テーブルの振動を計測し、その信号をコントローラに導いて制御信号を作り、この信号を基にアクチュエータを制御する方式である(特許文献1参照)。除振性能と制振性能の両方を矛盾なく高めることができるので、除振テーブル上で機器が運動するような半導体製造装置などに盛んに導入されるようになってきた。   Active vibration isolation replaces the damper in passive vibration isolation with an actuator that is driven by external energy input, such as an electromagnetic linear motor or pneumatic actuator, and measures the vibration of the ground and the vibration isolation table using a vibration sensor. Is a system in which a control signal is generated by guiding the controller to the controller, and the actuator is controlled based on this signal (see Patent Document 1). Since both the vibration isolation performance and the vibration suppression performance can be improved without contradiction, they have been actively introduced into semiconductor manufacturing apparatuses and the like in which equipment moves on a vibration isolation table.

さらに、最近ではナノテクノロジやバイオテクノロジに代表される超微細技術が要求される医療・工業分野などで、環境振動や他の機器で発生する振動が要求精度や性能に障害を与えることから、アクティブ除振は不可欠な基盤技術になっている。   Furthermore, in recent years, in the medical and industrial fields where ultra-fine technologies such as nanotechnology and biotechnology are required, environmental vibrations and vibrations generated by other devices impair the required accuracy and performance. Vibration isolation has become an essential fundamental technology.

特許第2673321号公報Japanese Patent No. 2673321

しかし、これまでのアクティブ除振法では、除振性能を高めるために、かつ除振テーブル自体が弾性振動を起こさないようにするために、その重量を増大させて剛性を高めてきた。このような除振テーブルの重量増は除振のために大きなエネルギーの消費を来すことになり、更なる除振装置の大型化に対する大きな障害になろうとしている。   However, in the existing active vibration isolation methods, the weight is increased to increase the rigidity in order to improve the vibration isolation performance and to prevent the vibration isolation table itself from causing elastic vibration. Such an increase in the weight of the vibration isolation table consumes a large amount of energy for vibration isolation, and is becoming a major obstacle to further increasing the size of the vibration isolation device.

一方において、市場では広い面積を有する除振装置の要請も高まってきている。例えば、液晶テレビの大型化の要求がますます高まっているが、大型液晶テレビ製造プロセスには面積の広いアクティブ除振装置が不可欠である。
また、システムとして繋がった複数の嫌振機器や、数種類の嫌振機器を一括してアクティブ除振装置に搭載するという要請もある。
On the other hand, the demand for vibration isolator having a large area is increasing in the market. For example, there is an increasing demand for larger LCD TVs, but an active vibration isolator with a large area is indispensable for the large LCD TV manufacturing process.
There is also a demand to install a plurality of vibration isolators connected as a system or several types of vibration isolators in an active vibration isolator.

このように、今後除振テーブルの大型化が予想される中で、除振テーブルを重くして剛性を高めるには限界がある。したがって、除振テーブルの思い切った軽量化とそれに伴う弾性モードの制御が必要となる。このように除振テーブルを大型化・軽量化すると、除振対象周波数範囲内に曲げや捩れの弾性振動モードが現れてしまう。   In this way, there is a limit in increasing the rigidity of the vibration isolation table by increasing the size of the vibration isolation table in the future. Therefore, it is necessary to drastically reduce the weight of the vibration isolation table and to control the elastic mode associated therewith. When the vibration isolation table is increased in size and weight as described above, an elastic vibration mode of bending or torsion appears in the vibration isolation target frequency range.

また、弾性振動モードを有する除振テーブルに搭載物を載置すると、この搭載物の影響を受け易くなり、特に搭載物の振動による除振性能の低下が懸念される。さらに、搭載物によって相対的に発生する運動や振動が除振性能の低下を招くおそれがある。このように、搭載物に対する除振性能のロバスト性が問題となる。   In addition, when a mounted object is placed on a vibration isolation table having an elastic vibration mode, it is easily affected by the mounted object. Furthermore, the motion and vibration that are relatively generated by the mounted object may cause a reduction in vibration isolation performance. Thus, the robustness of the vibration isolation performance with respect to the load becomes a problem.

したがって、本発明は、これまで困難視されていた比較的低周波の除振対象周波数域におけるテーブルの弾性振動モードの制御に加えて、除振性能に影響を及ぼす搭載物の挙動をも考慮したアクティブ除振装置およびアクティブ除振方法を提供することを目的とする。   Therefore, in addition to controlling the elastic vibration mode of the table in the relatively low frequency vibration isolation target frequency range, which has been regarded as difficult so far, the present invention also considers the behavior of the load that affects the vibration isolation performance. An object is to provide an active vibration isolation device and an active vibration isolation method.

上記課題を解決するために、本発明の除振装置は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる除振装置は、搭載物が載置されるとともに、除振対象周波数範囲内で弾性振動モードを有するテーブルと、該テーブルを駆動する複数のアクチュエータと、前記テーブルの状態量を測定するテーブル用センサと、該テーブル用センサの出力を用いるとともに、前記テーブルの前記弾性振動モードを考慮した状態方程式に基づいて、各前記アクチュエータを制御する制御部と、を備えたアクティブ除振装置において、前記搭載物の状態量を測定する搭載物用センサを備え、前記制御部は、前記搭載物用センサの出力を用いて前記各アクチュエータを制御することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the vibration isolator of the present invention employs the following means.
That is, the vibration isolator according to the present invention includes a table on which a mounted object is placed, an elastic vibration mode within a vibration isolation target frequency range, a plurality of actuators that drive the table, and a state quantity of the table Active vibration isolator comprising: a table sensor that measures the output of the table; and a controller that controls each actuator based on an equation of state in consideration of the elastic vibration mode of the table. The apparatus includes a load sensor for measuring a state quantity of the load, and the control unit controls each actuator using an output of the load sensor.

テーブルの弾性振動モードを考慮した状態方程式に基づいてアクチュエータを制御するので、例えば大型化・軽量化されたテーブルのように、テーブルが弾性振動する場合であっても除振が可能となる。
さらに、搭載物用センサの出力を用いてアクチュエータを制御することとしたので、搭載物によってテーブルの除振性能が低下させられることがない。
なお、「テーブルの状態量」および「搭載物の状態量」とは、例えば、テーブルおよび搭載物の変位、速度、加速度等である。
本発明は、半導体製造装置、大型液晶テレビ製造装置等の嫌振機器の除振に利用でき、また、システムとして繋がった複数の嫌振機器や数種類の嫌振機器の一括除振装置としても利用できる。さらに、将来的には、軽量化が特別に求められる宇宙ステーションで使用する除振装置にも利用できる。
Since the actuator is controlled based on an equation of state that takes into account the elastic vibration mode of the table, vibration isolation is possible even when the table vibrates elastically, such as a large and lightweight table.
Furthermore, since the actuator is controlled using the output of the mounted object sensor, the vibration isolation performance of the table is not deteriorated by the mounted object.
The “table state quantity” and “mounting object state quantity” are, for example, the displacement, speed, acceleration, and the like of the table and the loading object.
The present invention can be used for vibration isolation of vibration isolators such as semiconductor manufacturing equipment and large liquid crystal television manufacturing equipment, and can also be used as a collective vibration isolator for a plurality of vibration isolators and several types of vibration isolators connected as a system. it can. Furthermore, in the future, it can also be used for a vibration isolation device used in a space station that is particularly required to be lightweight.

また、本発明のアクティブ除振装置によれば、前記搭載物は、除振対象周波数範囲内で弾性振動モードを有し、前記制御部は、前記テーブルの前記弾性振動モードの最高次数に対応した質点数に質量が離散化された集中定数系モデルと、前記搭載物の前記弾性振動モードの最高次数に対応した質点数に質量が離散化された集中定数系モデルと、を考慮した状態方程式に基づいて各前記アクチュエータを制御することを特徴とする。   Further, according to the active vibration isolator of the present invention, the mounted object has an elastic vibration mode within a vibration isolation target frequency range, and the control unit corresponds to the highest order of the elastic vibration mode of the table. A state equation that takes into account a lumped parameter model in which the mass is discretized in the mass number and a lumped parameter model in which the mass is discretized in the mass number corresponding to the highest order of the elastic vibration mode of the load. Each of the actuators is controlled based on this.

分布定数系とされた弾性体であるテーブルを、弾性振動モードの最高次数に対応した質点数に質量を離散化して、集中定数系モデルとすることにより、状態方程式に基づいてフィードバック制御することができる。したがって、たとえ柔軟なテーブルであっても、弾性振動モードが抑制され、恰も剛体テーブルのように挙動させることができる。
さらに、弾性振動モードを有する搭載物に対しても振動特性を考慮に入れた集中定数系モデルを用い、状態フィードバック系に組み込むこととしたので、搭載物の弾性振動をも考慮した除振が可能となる。また、状態フィードバック系に組み込むことによって、たとえ搭載物に変動が生じ、あるいは集中定数系モデルに誤差が生じたとしても、それらの影響を受け難いシステムを構築することができる。つまり除振性能のロバスト性の高いアクティブ除振装置を提供できる。
It is possible to feedback control based on the equation of state by making the table, which is an elastic body made a distributed constant system, discretize the mass to the mass number corresponding to the highest order of the elastic vibration mode and making it a lumped parameter system model. it can. Therefore, even if the table is flexible, the elastic vibration mode is suppressed, and the heel can behave like a rigid table.
In addition, a lumped parameter model that takes into account vibration characteristics is used for mounted objects that have elastic vibration modes, and is incorporated into the state feedback system, allowing vibration isolation considering the elastic vibration of the mounted object. It becomes. Further, by incorporating it into the state feedback system, even if a change occurs in the load or an error occurs in the lumped parameter system model, it is possible to construct a system that is less susceptible to those effects. That is, it is possible to provide an active vibration isolator having high vibration isolation performance.

なお、「集中定数系モデル」の作成については、例えば、本出願人の一人が考案した低次元化物理モデル作成法(背戸一登、光田慎冶、「不可観測・不可制御性の活用による弾性構造物の低次元化物理モデル作成法と振動制御法」、日本機械学会論文集C編,57巻542号,3393〜3399頁,1991年)を用いると好適である。この方法の特徴は、有限要素解析法や実験モード解析法によって振動モード形と固有振動数さえ分かれば、任意の指定した場所で集中定数系モデルが作成できることである。
さらに、この特徴を有効に活用し、アクチュエータの配置場所で低次元化され集中定数系モデルを作成してもよい。このような集中定数系モデルを用いれば、最適制御理論の1つであるLQ(Linear Quadratic)制御理論が適用できる。これにより、最適状態フィードバック制御系が構成される。
For the creation of a “lumped parameter system model”, for example, a method of creating a reduced-dimensional physical model devised by one of the present applicants (Kazuto Sado, Shinji Mitsuda, “elasticity by utilizing unobservable / uncontrollable properties” It is preferable to use a method for creating a reduced-dimensional physical model of a structure and a vibration control method ”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, C, Vol. 57, No. 542, pages 3393-3399 (1991). A feature of this method is that a lumped parameter model can be created at any specified location as long as the vibration mode shape and natural frequency are known by the finite element analysis method and the experimental mode analysis method.
Furthermore, by effectively utilizing this feature, the lumped parameter system model may be created with a reduced dimension at the actuator placement location. If such a lumped parameter model is used, an LQ (Linear Quadratic) control theory, which is one of optimal control theories, can be applied. Thereby, an optimum state feedback control system is configured.

また、本発明のアクティブ除振装置によれば、前記テーブルが設置される床の状態量を測定する床用センサを備え、前記制御部は、該床用センサの出力を用いたフィードフォワード制御によって各前記アクチュエータを制御することを特徴とする。   Further, according to the active vibration isolator of the present invention, the active vibration isolator includes a floor sensor that measures a state quantity of the floor on which the table is installed, and the control unit performs feed-forward control using an output of the floor sensor. Each of the actuators is controlled.

フィードバック制御に加え、床用センサによって得られる外乱をフィードフォワードすることにより2自由度制御系を構成する。これにより、外乱を積極的に除去することができる。
なお、「床の状態量」とは、例えば、床の変位、速度、加速度等である。
In addition to feedback control, a two-degree-of-freedom control system is configured by feed-forwarding the disturbance obtained by the floor sensor. Thereby, disturbance can be positively removed.
The “floor state quantity” is, for example, floor displacement, speed, acceleration, and the like.

また、本発明のアクティブ除振装置によれば、前記制御部は、ローパスフィルタを備えていることを特徴とする。   Moreover, according to the active vibration isolator of the present invention, the control unit includes a low-pass filter.

除振対象となる弾性振動モードのみを考慮し、この弾性振動モード外の高次モードがスピルオーバーを引き起こしたり、除振対象周波数範囲外にてフィードフォワード制御が悪影響を与える可能性がある。これを回避するために、ローパスフィルタが設けられている。   Considering only the elastic vibration mode that is the object of vibration isolation, higher-order modes outside this elastic vibration mode may cause spillover, or feedforward control may adversely affect outside the vibration isolation object frequency range. In order to avoid this, a low-pass filter is provided.

また、本発明によるアクティブ除振方法によれば、搭載物が載置されるとともに、除振対象周波数範囲内で弾性振動モードを有するテーブルと、該テーブルを駆動する複数のアクチュエータと、を備え、前記テーブルの状態量を測定するテーブル用センサと、該テーブル用センサの出力を用いるとともに、前記テーブルの前記弾性振動モードを考慮した状態方程式に基づいて、各前記アクチュエータを制御するアクティブ除振方法において、前記搭載物の状態量を用いて前記各アクチュエータを制御することを特徴とする。   In addition, according to the active vibration isolation method of the present invention, the mounted object is placed, and the table has an elastic vibration mode within the vibration isolation target frequency range, and a plurality of actuators that drive the table, In an active vibration isolation method for controlling each actuator based on a state equation in consideration of the elastic vibration mode of the table, using a table sensor for measuring a state quantity of the table and an output of the table sensor The actuators are controlled using state quantities of the mounted objects.

除振対象周波数範囲内におけるテーブルの弾性振動モードの制御だけでなく、除振性能に影響を及ぼす搭載物の挙動をも考慮した除振が可能となる。   In addition to controlling the elastic vibration mode of the table within the vibration isolation target frequency range, it is possible to perform vibration isolation in consideration of the behavior of the load that affects the vibration isolation performance.

以下に、本発明のアクティブ除振装置およびアクティブ除振方法にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
図1には、アクティブ除振装置1の側面図が示されている。
アクティブ除振装置1は、搭載物2が載置される除振テーブル3と、この除振テーブル3を床5上に支持する脚部7と、各センサの出力が入力されるとともに各アクチュエータに対して制御信号を出力する制御部9とを備えている。
Hereinafter, embodiments of an active vibration isolation device and an active vibration isolation method of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a side view of the active vibration isolator 1.
The active vibration isolation device 1 includes a vibration isolation table 3 on which a load 2 is placed, a leg 7 that supports the vibration isolation table 3 on a floor 5, and outputs of sensors, and inputs to each actuator. A control unit 9 that outputs a control signal is provided.

除振テーブル3は、平面視矩形状とされた金属製の平板とされており、その面積に比べて厚さを薄くした大型・軽量化されたものとなっている。つまり、30Hz好ましくは20Hz以下とされた除振対象周波数以下の範囲で弾性モードを有する形状となっている。   The vibration isolation table 3 is a metal flat plate having a rectangular shape in a plan view, and is a large size and light weight that is thinner than the area. That is, it has a shape having an elastic mode in a range of 30 Hz, preferably 20 Hz or less and below the vibration isolation target frequency.

搭載物2は、半導体製造装置、大型液晶テレビ製造装置等の嫌振機械とされており、除振対象周波数以下の範囲で弾性モードを有する。この搭載物2には、振動検出に用いられる搭載物用加速度センサ10が設けられている。   The mounted object 2 is an anti-vibration machine such as a semiconductor manufacturing apparatus or a large-sized liquid crystal television manufacturing apparatus, and has an elastic mode in a range equal to or less than a vibration isolation target frequency. The load 2 is provided with a load acceleration sensor 10 used for vibration detection.

脚部7は、除振テーブル3の四隅にそれぞれ配置されている。各脚部7には、アクチュエータ装置11と、複数の加速度センサ13,14,15とが設けられている。   The leg portions 7 are respectively arranged at the four corners of the vibration isolation table 3. Each leg 7 is provided with an actuator device 11 and a plurality of acceleration sensors 13, 14, 15.

アクチュエータ装置11は、垂直、水平X軸および水平Y軸の三軸方向に独立して制御力を発生できる空気圧アクチュエータ11a,11bを備えている。
加速度センサとしては、除振テーブル3の各軸方向における振動検出に用いられるテーブル用加速度センサ13,14と、床5の振動を検出する床用加速度センサ15とが設けられている。
The actuator device 11 includes pneumatic actuators 11a and 11b that can generate a control force independently in the three axial directions of the vertical, horizontal X-axis, and horizontal Y-axis.
As the acceleration sensor, table acceleration sensors 13 and 14 used for vibration detection in each axis direction of the vibration isolation table 3 and a floor acceleration sensor 15 for detecting vibration of the floor 5 are provided.

脚部7の上部には、取付プレート17が設けられており、この取付プレート17を介して除振テーブル3の三軸方向に制御力が伝えられるようになっている。   A mounting plate 17 is provided on the upper portion of the leg portion 7, and a control force is transmitted to the vibration isolation table 3 in three axial directions via the mounting plate 17.

制御部9は、搭載物2に設けられた搭載物用加速度センサ10および脚部7に設けられた各加速度センサ13,14,15からの出力信号に基づいて得た制御信号を、各アクチュエータ装置11に出力する。このように、制御部9は、搭載物用加速度センサ10およびテーブル用加速度センサ13,14からフィードバック信号を得て、かつ、床用加速度センサ15からフィードフォワード信号を得るようになっている。
この制御部9は、各加速度センサ13,14,15からの出力信号が入力されるA/D変換器20と、このA/D変換器20からの出力信号を用いて制御信号を演算するDSP(Digital Signal Processor)22と、このDSP22からの制御信号をアナログ信号に変換するD/A変換器24と、このD/A変換器24の出力を増幅するアンプ26とを備えている。
The control unit 9 obtains control signals obtained based on output signals from the acceleration sensor 10 for the mounted object provided in the mounted object 2 and the acceleration sensors 13, 14, and 15 provided in the leg part 7. 11 is output. As described above, the control unit 9 obtains the feedback signal from the onboard acceleration sensor 10 and the table acceleration sensors 13 and 14 and obtains the feedforward signal from the floor acceleration sensor 15.
The control unit 9 includes an A / D converter 20 to which output signals from the acceleration sensors 13, 14, and 15 are input, and a DSP that calculates control signals using the output signals from the A / D converter 20. (Digital Signal Processor) 22, a D / A converter 24 that converts a control signal from the DSP 22 into an analog signal, and an amplifier 26 that amplifies the output of the D / A converter 24.

DSP22は、その内部に設けられた状態推定器から各軸方向の変位と速度信号を推定して、制御信号を演算する。制御信号の演算は、除振テーブル3だけでなく搭載物2の弾性振動モードを考慮した状態方程式に基づいて行われる。この状態方程式は、具体的には、後述するように、除振テーブル3の除振対象周波数範囲内における弾性振動モードの最高次数と同数の質点数に質量が離散化された集中定数系モデル、及び、搭載物2の除振対象周波数範囲内における弾性振動モードの最高次数と同数の質点数に質量が離散化された集中定数系モデルを考慮したものとなっている。つまり、DSP22には、除振テーブル3および搭載物2の弾性振動モードを予め解析して作成された制御モデルが記述されたプログラムが格納されている。   The DSP 22 estimates displacement and velocity signals in the respective axial directions from a state estimator provided therein, and calculates a control signal. The calculation of the control signal is performed based on a state equation in consideration of not only the vibration isolation table 3 but also the elastic vibration mode of the load 2. Specifically, as will be described later, this state equation is a lumped parameter model in which the mass is discretized in the same number of mass points as the highest order of the elastic vibration mode within the vibration isolation target frequency range of the vibration isolation table 3. In addition, a lumped parameter model in which the mass is discretized to the same number of mass points as the highest order of the elastic vibration mode within the vibration isolation target frequency range of the load 2 is taken into consideration. In other words, the DSP 22 stores a program in which a control model created by analyzing in advance the elastic vibration mode of the vibration isolation table 3 and the load 2 is described.

次に、制御系設計において最も重要な制御モデル作成法と制御系設計のアルゴリズムについて、具体的に説明する。
まず、除振テーブル3の振動特性を実験モード解析によって得る。この実験モード解析によって、除振対象周波数範囲内における弾性振動モードの最高次数を決定する。本実施形態における以下の説明では、鉛直方向に5次、水平方向に3次の弾性振動モードが得られたものとする。
Next, the most important control model creation method and control system design algorithm in control system design will be specifically described.
First, the vibration characteristics of the vibration isolation table 3 are obtained by experimental mode analysis. By this experimental mode analysis, the highest order of the elastic vibration mode within the vibration isolation target frequency range is determined. In the following description of the present embodiment, it is assumed that a fifth-order elastic vibration mode is obtained in the vertical direction and a third-order elastic vibration mode in the horizontal direction.

鉛直方向において弾性振動モードを考慮するために、「低次元化物理モデル作成法」を適用して、制御対象について弾性振動を表す物理モデルを作成する。低次元化物理モデルは、制御対象とする弾性振動モードの最高次数と等しい数の質点を配置し、それぞれの質点をバネ及びダンパにより結合したものである。制御対象におけるモデリング点(質点)は、可制御・可観測性に基づきアクチュエータ装置11上に4点、また5次モードの最大振幅点である中央の1点に配置する。
これらのモデリング点で各モードの成分を読み取り仮のモード行列を作成する。例えば、j次モードの5つのモデリング点で最大振幅を1とするモード成分φij(iはモデリング点番号、jはモード番号)をモード毎に読み取って次式のような仮のモード行列Φ’を作成する。

Figure 2005315298
In order to consider the elastic vibration mode in the vertical direction, the “reduced physical model creation method” is applied to create a physical model representing the elastic vibration for the controlled object. The reduced-order physical model has a number of mass points equal to the highest order of the elastic vibration mode to be controlled, and these mass points are connected by a spring and a damper. Based on controllability and observability, four modeling points (mass points) in the controlled object are arranged on the actuator device 11 and one central point which is the maximum amplitude point of the fifth-order mode.
The components of each mode are read at these modeling points to create a temporary mode matrix. For example, a mode component φ ij (where i is a modeling point number and j is a mode number) having a maximum amplitude of 1 at five modeling points in the j-th mode is read for each mode and a temporary mode matrix Φ ′ Create
Figure 2005315298

仮のモード行列Φ’は、分布定数系の固有モード成分を行列の要素としているので、この仮のモード行列Φ’から対角化した質量行列Mを導くことができない。そこで、集中定数系の条件を満足させるために誤差関数εを定義し、これを零にするように修正ベクトルδΦを導入し、誤差関数εの修正を行う。誤差関数εを零とするような修正ベクトルは次式で求められる。

Figure 2005315298
Since the tentative mode matrix Φ ′ uses eigenmode components of the distributed parameter system as elements of the matrix, the diagonalized mass matrix M cannot be derived from the tentative mode matrix Φ ′. Therefore, an error function ε is defined to satisfy the condition of the lumped parameter system, and a correction vector δΦ is introduced so as to make it zero, and the error function ε is corrected. A correction vector that makes the error function ε zero is obtained by the following equation.
Figure 2005315298

上記のような仮のモード行列Φ’の修正手続きを経て、修正モード行列Φを得る。
この修正モード行列Φを用いて、以下の質量行列Mと剛性行列Kを得る。なお、Ωは各モードの固有振動数を対角要素とする周波数行列である。
M=(ΦΦ−1 ・・・・・(2)
K=(Φ−1ΩΦ−1 ・・・・・(3)
ここで、

Figure 2005315298
The correction mode matrix Φ is obtained through the procedure for correcting the temporary mode matrix Φ ′ as described above.
Using this modified mode matrix Φ, the following mass matrix M and stiffness matrix K are obtained. Ω is a frequency matrix having the natural frequency of each mode as a diagonal element.
M = (ΦΦ T ) −1 (2)
K = (Φ T ) −1 Ω 2 Φ −1 (3)
here,
Figure 2005315298

このようにして質量行列Mと剛性行列Kが求まれば、鉛直方向の運動方程式が次式ように求まる。ここで、Zは鉛直方向の状態ベクトルである。本実施形態では5行×5列の行列であるから、5質点系集中定数系モデルとなる。
MZ+KZ=0 ・・・・・(5)
If the mass matrix M and the stiffness matrix K are obtained in this way, the equation of motion in the vertical direction is obtained as follows. Here, Z is a vertical state vector. In this embodiment, since it is a matrix of 5 rows × 5 columns, it becomes a 5-mass point system lumped parameter system model.
MZ + KZ = 0 (5)

水平方向についても同様に、実験モード解析によって得られた弾性振動モードの最高次数に等しい質点数の集中定数系モデルを作成する。
ただし、水平方向については、本実施形態のような平板とされた除振テーブル3では鉛直方向とは異なり柔軟振動が非常に高周波域にあるため、除振対象とする低周波域には剛体モードしか存在しない場合が多い。そのような場合は、剛体とみなして計算を行う。
Similarly in the horizontal direction, a lumped parameter system model with a mass number equal to the highest order of the elastic vibration mode obtained by the experimental mode analysis is created.
However, in the horizontal direction, the vibration isolation table 3 which is a flat plate as in the present embodiment has a flexible vibration in a very high frequency region unlike the vertical direction. There are many cases that only exist. In such a case, the calculation is performed assuming that it is a rigid body.

搭載物2についても同様に、実験モード解析によって得られた弾性振動モードの最高次数に等しい質点数の集中定数系モデルを作成する。 Similarly, a lumped parameter system model having a mass number equal to the highest order of the elastic vibration mode obtained by the experimental mode analysis is also created for the load 2.

上述のように求めた各モデルから制御対象(除振対象)を状態変数表示する。
鉛直方向の状態方程式および出力方程式は、次式となる。
=A+B ・・・・・(6)
=C ・・・・・(7)
ここで、Xは状態ベクトル、uは制御量ベクトルであり、A,Bは制御対象の係数行列である。
The control object (vibration isolation object) is displayed as a state variable from each model obtained as described above.
The state equation and output equation in the vertical direction are as follows.
X v = A v X v + B v u v (6)
Y v = C v X v (7)
Here, X v is the state vector, u v is a control amount vector, A v, B v is the coefficient matrix of the controlled object.

水平方向の状態方程式および出力方程式についても同様に、添字hを用いて以下のようにあらわす。
=A+B ・・・・・(8)
=C ・・・・・(9)
ここで、Xは状態ベクトル、uは制御量ベクトルであり、A,Bは制御対象の係数行列である。
Similarly, the horizontal state equation and the output equation are expressed as follows using the suffix h.
X h = A h X h + B h u h (8)
Y h = C h X h (9)
Here, X h is a state vector, u h is a control amount vector, and A h and B h are coefficient matrices to be controlled.

搭載物2の状態方程式および出力方程式についても同様に、添字aを用いて以下のようにあらわす。
=A+B ・・・・・(10)
=C ・・・・・(11)
ここで、Xは状態ベクトル、uは制御量ベクトルであり、A,Bは制御対象の係数行列である。
Similarly, the state equation and output equation of the load 2 are expressed as follows using the subscript a.
X a = A a X a + B a u a (10)
Y a = C a X a (11)
Here, X a is a state vector, u a is a controlled variable vector, and A a and B a are coefficient matrices to be controlled.

さらに、積極的な外乱消去のため、床5からの地動外乱の絶縁を目的としたフィードフォワード制御(以下「FF制御」という。)を適用する。しかし、FF制御だけでは、モデル化誤差を含んでいる制御対象が変化した場合の誤差に対してその補正能力を持たないため、状態フィードバック制御(以下「FB制御」という。)の最適制御であるLQ(Linear Quadratic)理論にFF制御を併用した外乱相殺型2自由度制御系を採用する。
この外乱相殺型2自由度制御系のブロック線図を図2に示す。同図において、Wは外乱、HはFFゲイン、KはFBゲインである。
Furthermore, feedforward control (hereinafter referred to as “FF control”) for the purpose of insulating ground disturbance from the floor 5 is applied for positive disturbance elimination. However, the FF control alone does not have the ability to correct the error when the control object including the modeling error changes, and is therefore the optimum control of the state feedback control (hereinafter referred to as “FB control”). Disturbance canceling two-degree-of-freedom control system using FF control in combination with LQ (Linear Quadratic) theory.
FIG. 2 shows a block diagram of this disturbance cancellation type two-degree-of-freedom control system. In the figure, W is a disturbance, Hf is an FF gain, and Kc is an FB gain.

また、本実施形態ではモデル化を行う際に除振対象となる弾性振動モードのみを考慮しており、除振対象となる弾性振動モード外の無視した高次モードがスピルオーバーを引き起こしたり、除振対象周波数範囲外にてFF制御が悪化影響を与える可能性がある。これを回避するために、ローパスフィルタを設ける。
図2において、添字fはローパスフィルタの行列とベクトルを表し、添字cは除振対象である除振テーブル3の行列とベクトルを表す。
In this embodiment, only the elastic vibration mode that is the object of vibration isolation is considered when modeling, and the ignored higher-order modes outside the elastic vibration mode that is the object of vibration isolation may cause spillover or vibration isolation. There is a possibility that the FF control has a deteriorating effect outside the target frequency range. In order to avoid this, a low-pass filter is provided.
In FIG. 2, the subscript f represents the matrix and vector of the low-pass filter, and the subscript c represents the matrix and vector of the anti-vibration table 3 to be anti-vibrated.

除振対象とフィルタの状態方程式を包含した拡張系の3次元状態方程式は次の通りである。
=AX+Bu ・・・・・(12)
ここで、X={Xvf,X,Xhf,X,Xva,X} ・・・・・(13)
The three-dimensional state equation of the extended system including the vibration isolation target and the state equation of the filter is as follows.
X = AX + Bu (12)
Here, X = {X vf , X v , X hf , X h , X va , X a } (13)

図2のフィードバックゲインK={K,K}は、次のように求める。
まず、次のリカッチ方程式から解Pを求める。
PA+AP−PBR−1P+Q=0 ・・・・・(14)
そして、次式のように定まる。
K={K,K}=R−1P ・・・・・(15)
ここで、Kはフィルタにかかるフィードバックゲインベクトル、Kは制御対象にかかるフィードバックゲインベクトルであり、Q,Rは状態ベクトルと制御量に掛かる重み行列である。
The feedback gain K = {K f , K c } in FIG. 2 is obtained as follows.
First, a solution P is obtained from the following Riccati equation.
PA + A T P-PBR -1 B T P + Q = 0 ····· (14)
Then, it is determined as follows.
K = {K f, K c } = R -1 B T P ····· (15)
Here, K f is the feedback gain vector according to the filter, K c is the feedback gain vector according to the controlled object, Q, R is a weighting matrix applied to the state vector control quantity.

また、Hは制御対象モデルの逆伝達関数を使って外乱を相殺するように決定する。そのためには制御対象モデルが正確に分かっていなければ良い結果は得られないが、本実施形態ではモデルを正確に求めることができるので、外乱相殺フィードフォワード制御の効果が最大限発揮できる。また、フィードフォワード制御系の設計は各質点単位で行えるので、場所によって外乱相殺の程度を調整することもできる。 Further, H f is determined so as to cancel the disturbance using the inverse transfer function of the controlled object model. For this purpose, good results cannot be obtained unless the controlled object model is accurately known. However, in the present embodiment, the model can be obtained accurately, so that the effect of disturbance canceling feedforward control can be maximized. In addition, since the feedforward control system can be designed for each mass point, the degree of disturbance cancellation can be adjusted depending on the location.

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態によれば、除振テーブル3について低次元化した集中定数系モデルを作成して、状態フィードバックによる振動制御を行うこととしたので、たとえ柔軟な除振テーブル3であっても、弾性振動モードが抑制され、恰も剛体テーブルのように挙動させることができる。
さらに、搭載物2に対しても振動特性を考慮に入れた集中定数系モデルを用い、状態フィードバック系に組み込むこととしたので、搭載物2の弾性振動をも考慮した除振が可能となる。また、状態フィードバック系に組み込むことによって、たとえ搭載物2に変動が生じ、あるいは集中定数系モデルに誤差が生じたとしても、それらの影響を受け難いシステムを構築することができる。つまり除振性能のロバスト性の高いアクティブ除振装置を提供できる。
According to this embodiment, there exist the following effects.
According to the present embodiment, a reduced lumped parameter system model is created for the vibration isolation table 3 and vibration control is performed by state feedback. Therefore, even if the vibration isolation table 3 is flexible, the elastic vibration isolation table 3 is elastic. The vibration mode is suppressed, and the kite can behave like a rigid table.
Furthermore, since a lumped parameter system model that takes vibration characteristics into consideration is used for the mounted object 2 and incorporated in the state feedback system, vibration isolation considering the elastic vibration of the mounted object 2 is possible. Moreover, even if a change occurs in the load 2 or an error occurs in the lumped parameter system model by incorporating it in the state feedback system, it is possible to construct a system that is not easily influenced by those effects. That is, it is possible to provide an active vibration isolator having high vibration isolation performance.

なお、本実施形態において、アクチュエータ装置11を4台用いることとしたが、除振テーブル3が長大化するような場合は6台、8台といったようにその台数を増やしても良い。この場合も、アクチュエータ装置11を含めた振動モード解析を行って制御モデルが作成される。   In the present embodiment, four actuator devices 11 are used. However, when the vibration isolation table 3 is lengthened, the number may be increased to six or eight. Also in this case, a control model is created by performing vibration mode analysis including the actuator device 11.

以下に、本発明のアクティブ除振装置の実施例について説明する。
図3には、本実施例に用いた模型除振装置の外観と制御系構成の概念図が示されている。
制御対象となる除振テーブル3の寸法は600×320×2mmのアルミ板とされている。除振テーブル3は、その四隅にアクチュエータとしてボイスコイルモータ30が設置されており、これにより支持されている。
ボイスコイルモータ30と並列に支持バネ32が配置されている。また、水平方向には8ヶ所のリニアガイド34と4ヶ所の電磁アクチュエータ36が設けられている。
各アクチュエータ30,36と除振テーブル3とはピアノ線38により支持され、それぞれ独立して三次元的な動きが可能となっている。
また、状態量観測のため、鉛直方向にはボイスコイルモータ30の位置に4ヶ所、テーブル中央に1ヶ所、水平方向にもX,Y方向合わせて計3ヶ所にレーザ変位センサ38を配置しており、絶対固定面に対する変位を測定することができる。また、図10のように付加物(搭載物)50を載置するときは、この付加物の先端の水平方向変位を測定するレーザ変位センサを配置する。なお、レーザ変位センサの代わりに加速度センサなどの振動検出器を用いても良い。
Examples of the active vibration isolator according to the present invention will be described below.
FIG. 3 shows a conceptual diagram of the appearance and control system configuration of the model vibration isolator used in this embodiment.
The dimensions of the vibration isolation table 3 to be controlled are 600 × 320 × 2 mm aluminum plates. The vibration isolation table 3 has voice coil motors 30 installed as actuators at its four corners, and is supported thereby.
A support spring 32 is arranged in parallel with the voice coil motor 30. Further, eight linear guides 34 and four electromagnetic actuators 36 are provided in the horizontal direction.
The actuators 30 and 36 and the vibration isolation table 3 are supported by a piano wire 38, and can independently move three-dimensionally.
In order to observe the state quantity, laser displacement sensors 38 are arranged in a total of three locations, including four in the vertical direction at the position of the voice coil motor 30, one in the center of the table, and the horizontal direction in the X and Y directions. The displacement relative to the absolute fixed surface can be measured. Further, when the additional object (mounted object) 50 is placed as shown in FIG. 10, a laser displacement sensor for measuring the horizontal displacement of the tip of the additional object is disposed. Note that a vibration detector such as an acceleration sensor may be used instead of the laser displacement sensor.

各センサからの信号はA/D変換器を通してコントローラに送られ、コントローラで演算された制御信号がD/A変換器および信号増幅器を介して各アクチュエータに送られる。このようにして状態フィードバック制御系を構成する。   A signal from each sensor is sent to the controller through an A / D converter, and a control signal calculated by the controller is sent to each actuator via the D / A converter and a signal amplifier. In this way, the state feedback control system is configured.

一方、床5の地動外乱は除振テーブル3の設置面の振動をレーザ変位センサ40で検出し、コントローラ42に送られる。コントローラ42ではこのセンサ信号を元に地動外乱を相殺するフィードフォワード制御系を構成し、フィードフォワード信号として各アクチュエータに送る。
以上のように、コントローラ42では、フィードバック制御とフィードフォワード制御を組み合わせた2自由度制御系が構成されている。
On the other hand, the ground disturbance of the floor 5 is detected by the laser displacement sensor 40 on the vibration of the installation surface of the vibration isolation table 3 and sent to the controller 42. The controller 42 constitutes a feedforward control system that cancels ground disturbance based on this sensor signal, and sends it to each actuator as a feedforward signal.
As described above, in the controller 42, a two-degree-of-freedom control system that combines feedback control and feedforward control is configured.

次に、本実施例における制御モデル作成法と制御系設計のアルゴリズムについて具体的に説明する。
この除振テーブル3の振動特性について、実験モード解析によって得られた結果を、鉛直方向について図4、水平方向について図5に示す。鉛直方向は、1次モードがバウンシングモード、2次モードがピッチングモード、3次モードがローリングモード、4次モードが1次のねじれモード、5次モードが1次の曲げモードに相当し、弾性テーブルの剛体モードと弾性モードが複合していることが分かる。
一方、水平方向は1次モードがX方向のスライディングモード、2次モードがY方向のスライディングモード、3次モードがヨーイングモードとなり剛体モードで構成されている。
以上のように、本実施例では、鉛直5次モードと水平3次モードを制御対象モードとしている。
Next, the control model creation method and the control system design algorithm in this embodiment will be described in detail.
Regarding the vibration characteristics of the vibration isolation table 3, the results obtained by the experimental mode analysis are shown in FIG. 4 in the vertical direction and in FIG. 5 in the horizontal direction. In the vertical direction, the primary mode corresponds to the bouncing mode, the secondary mode corresponds to the pitching mode, the tertiary mode corresponds to the rolling mode, the quaternary mode corresponds to the primary twist mode, and the fifth mode corresponds to the primary bending mode. It can be seen that the rigid body mode and the elastic mode are combined.
On the other hand, in the horizontal direction, the primary mode is a sliding mode in the X direction, the secondary mode is a sliding mode in the Y direction, and the tertiary mode is a yawing mode, which is a rigid body mode.
As described above, in this embodiment, the vertical fifth mode and the horizontal third mode are the control target modes.

そして、式(1)のように仮のモード行列Φ’を作成した後、仮のモード行列の修正手続きを経て、修正モード行列Φを得て、質量行列Mと剛性行列Kを得る(式(2)及び式(3)参照)。    Then, after creating a temporary mode matrix Φ ′ as shown in Equation (1), a correction mode matrix Φ is obtained through a procedure for correcting the temporary mode matrix to obtain a mass matrix M and a stiffness matrix K (Equation ( 2) and formula (3)).

質量行列Mと剛性行列Kを用いて、鉛直方向の運動方程式を式(5)のように求める。本実施例では5行、5列の行列であるから、5質点系集中定数系モデルが図6のように作成される。同図では質点1から4に各アクチュエータ11が取り付けられたモデルとなっている。   Using the mass matrix M and the stiffness matrix K, the equation of motion in the vertical direction is obtained as in equation (5). In this embodiment, since the matrix has 5 rows and 5 columns, a 5-mass system lumped parameter system model is created as shown in FIG. In the figure, each actuator 11 is attached to mass points 1 to 4.

水平方向においては、鉛直方向とは異なり柔軟振動が非常に高周波域にあるため制御対象とする低周波域には剛体モードしか存在しない。したがって、本実施例では剛体とみなす。このときにおける水平方向のモデルの概念図と各パラメータを図7に示す。   In the horizontal direction, unlike the vertical direction, the flexible vibration is in a very high frequency range, so only the rigid body mode exists in the low frequency range to be controlled. Therefore, in this embodiment, it is regarded as a rigid body. FIG. 7 shows a conceptual diagram of the horizontal model and the parameters at this time.

上記のようにして作成した各モデルの妥当性を検証するために、シミュレーションの結果と実測との周波数応答の比較を行った。
図8は、質点1を垂直加振した時の質点1のZ方向の周波数応答、図9はX方向に加振した時のX方向の周波数応答を示す。太い実線が実測値、細い破線がシミュレーション値である。各応答は、実測・シミュレーション共に良く一致しており、作成したモデルの精度が高いことが分かる。
In order to verify the validity of each model created as described above, the frequency response between the simulation result and the actual measurement was compared.
FIG. 8 shows the frequency response in the Z direction of the material point 1 when the material point 1 is vertically vibrated, and FIG. 9 shows the frequency response in the X direction when the material point 1 is vibrated in the X direction. The thick solid line is the actual measurement value, and the thin broken line is the simulation value. Each response is in good agreement with both the actual measurement and the simulation, indicating that the accuracy of the created model is high.

求めた各モデルより制御対象を状態変数表示する。使用するアクチュエータの駆動係数、逆起電力、インダクタンス、抵抗を考慮して、式(6),(7)を求める。
式(6)で用いられている係数行列A,Bおよび各ベクトルは、以下のように表すことができる。

Figure 2005315298
The controlled object is displayed as a state variable from each obtained model. Equations (6) and (7) are obtained in consideration of the drive coefficient, back electromotive force, inductance, and resistance of the actuator to be used.
The coefficient matrices A v and B v and each vector used in the equation (6) can be expressed as follows.
Figure 2005315298

ここで、Iは単位行列、Oは零行列、A13,A31,A33はアクチュエータとテーブル間の影響し合う係数行列を示す。また、Lvi,I,uは、それぞれ、i番目のアクチュエータのインダクタンス、制御電流、制御量である。 Here, I is a unit matrix, O is a zero matrix, and A 13 , A 31 , and A 33 are coefficient matrices that affect each other between the actuator and the table. L vi , I i , and u i are the inductance, control current, and control amount of the i-th actuator, respectively.

同様に、水平方向の状態方程式は式(8),(9)のように表される。この時の各ベクトルと係数行列は以下のように表せる。

Figure 2005315298
Similarly, the state equation in the horizontal direction is expressed as equations (8) and (9). Each vector and coefficient matrix at this time can be expressed as follows.
Figure 2005315298

搭載物としては、実際に除振テーブル3に搭載されるものとして光学顕微鏡など低周波域に振動モードをもつ柔軟体が多いことを考慮し、除振テーブル3の除振範囲である0Hz〜20Hzまでの低周波域において弾性モードを持つものを採用する。本実施例では、除振テーブル3上に搭載物に見立てた平板50を設置した。平板の寸法は250×50×1mmのアルミ板であり、質量は81.5gである。この平板50を除振テーブル3の中央部分に固定した。固定時における外観を図10に示す。   Considering the fact that there are many flexible bodies that have vibration modes in the low frequency range such as optical microscopes, what is actually mounted on the vibration isolation table 3 is 0 Hz to 20 Hz, which is the vibration isolation range of the vibration isolation table 3. The one with the elastic mode in the low frequency range up to is adopted. In this embodiment, a flat plate 50 that is regarded as a mounted object is installed on the vibration isolation table 3. The dimension of the flat plate is an aluminum plate of 250 × 50 × 1 mm, and the mass is 81.5 g. The flat plate 50 was fixed to the center portion of the vibration isolation table 3. The appearance at the time of fixation is shown in FIG.

図11に、付加物である平板の実験モード解析による結果を示す。
同図から、除振対象周波数範囲内に1次曲げモードを持っていることが分かる。搭載物は、X方向にのみ自由度をもつものとして、X方向について低次元化物理モデル作成法を用い、除振テーブル3の水平方向モデルを拡張して2質点系の集中物理モデルを作成した。付加物を搭載した時のモデルの概念図と各パラメータを図12に示す。
In FIG. 11, the result by the experiment mode analysis of the flat plate which is an addition is shown.
From the figure, it can be seen that the primary bending mode is within the vibration isolation target frequency range. The mounted object has a degree of freedom only in the X direction. Using the reduced-dimensional physical model creation method in the X direction, the horizontal model of the vibration isolation table 3 was expanded to create a concentrated physical model of a two-mass system. . FIG. 12 shows a conceptual diagram of the model and each parameter when the appendage is mounted.

本実施例において、付加物はX方向に1自由度を持っている。水平方向における状態変数表示である式(8),(9)を拡張した形で、式(10),(11)のように表すことができる。
ここで、各ベクトルと行列は以下のように表せる。

Figure 2005315298
In this embodiment, the adduct has one degree of freedom in the X direction. Expressions (8) and (9), which are state variable displays in the horizontal direction, can be expressed as expressions (10) and (11) in an expanded form.
Here, each vector and matrix can be expressed as follows.
Figure 2005315298

この式(23)は、式(20)に新たに状態変数 ,xが加わったものとなっている。これは付加物のX方向の振動速度と変位を表す変数であり、これらの変数を制御系設計に組み入れることにより、付加物の振動が考慮されたことになる。本実施例ではX方向のみ考慮したが、同様にして、Y,Z方向も考慮できる。 In this equation (23), state variables x a and x a are newly added to equation (20). This is a variable that represents the vibration velocity and displacement in the X direction of the appendage. By incorporating these variables into the control system design, the vibration of the appendage is taken into account. Although only the X direction is considered in this embodiment, the Y and Z directions can be considered in the same manner.

本実施例においても、上述した本実施形態と同様に、地動外乱の絶縁を目的としたフィードフォワード制御(以下「FF制御」という。)が適用されている。
そして、LQ理論にFF制御を併用した外乱相殺型2自由度制御系となっている(図2参照)。
Also in the present embodiment, feedforward control (hereinafter referred to as “FF control”) for the purpose of insulating ground motion disturbance is applied as in the above-described embodiment.
And it is a disturbance cancellation type 2 degree-of-freedom control system using FF control in combination with LQ theory (see FIG. 2).

また、本実施例においても、上述した実施形態と同様に、ローパスフィルタを採用しており、そのカットオフ周波数は30Hz、フィルタの減衰率ξ=0.7と設定した。
制御対象とフィルタの状態方程式(A,B,C)を包含した拡張系の3次元状態方程式は、式(12),(13)のように表される。
ここで、係数行列A,B,Cは次のように表される。

Figure 2005315298
Also in this example, as in the above-described embodiment, a low-pass filter is employed, the cutoff frequency is set to 30 Hz, and the filter attenuation factor ξ = 0.7.
The expanded three-dimensional state equation including the controlled object and the state equation (A f , B f , C f ) of the filter is expressed as equations (12) and (13).
Here, the coefficient matrices A, B, and C are expressed as follows.
Figure 2005315298

そして、フィードバックゲインK={K,K}を、式(14),(15)を用いて求める。 Then, the feedback gain K = {K f , K c } is obtained using equations (14) and (15).

上述の制御モデル及び制御系を用いて、本実施例の効果を調べる制御実験を行った。実験方法は地動外乱を想定して、振動試験装置よりsweep加振を行う場合と、実際の微振動を想定して0〜20Hzのランダムノイズの入力を採用した場合である。   Using the control model and control system described above, a control experiment was conducted to investigate the effect of this example. The experimental method is a case where a ground vibration disturbance is assumed and sweep excitation is performed from a vibration test apparatus, and a case where a random noise input of 0 to 20 Hz is adopted assuming an actual fine vibration.

図13〜15はsweep加振時の振動伝達率の周波数応答特性を示す。
図13及び図14には、本実施例の比較例として、付加物が載置されていない状態で、付加物による影響を考慮しない状態方程式(式(6)〜(9))を用いたものが示されている。
図15には、本実施例の比較例として、付加物が載置されている状態で、付加物による影響を考慮しない状態方程式(式(6)〜(9))を用いたものが示されている。
縦軸が振動伝達率をゲインdB値で示してある。0dBが除振テーブルに加わる外乱変位(もしくは加速度)に対するテーブル変位(もしくは加速度)の比が1であるので、除振効果は1以下で現れることになり、dB値が小さいほど除振効果が大きいことを示している。
13 to 15 show frequency response characteristics of vibration transmissibility during sweep excitation.
In FIGS. 13 and 14, as a comparative example of the present embodiment, a state equation (equations (6) to (9)) that does not consider the influence of the additive in a state where the additive is not placed is used. It is shown.
FIG. 15 shows, as a comparative example of the present embodiment, a state equation (equations (6) to (9)) that does not consider the influence of the additive when the additive is placed. ing.
The vertical axis indicates the vibration transmissibility as a gain dB value. Since the ratio of the table displacement (or acceleration) to the disturbance displacement (or acceleration) applied to the vibration isolation table by 0 dB is 1, the vibration isolation effect appears at 1 or less. The smaller the dB value, the greater the vibration isolation effect. It is shown that.

図13は垂直方向の除振効果を示しており、太い実線が非制御、細い破線が状態FB制御のみ、細い実線がFF制御を加えた2自由度制御時である。非制御時に20Hzの範囲に5つの振動モードが含まれていたが、状態FB制御によって10Hz付近に1つのピークのみが現れており、あたかも1自由度振動系の振動特性を呈している。これは、本来フレキシブルなテーブルでありながら状態FB制御によって剛体テーブルになったことを示している。しかし、状態FB制御では振動制御ができても振動伝達率を下げることはできない。FF制御を加えることによってそれが可能となる。
このように、2つの制御を組み合わせることにより、振動伝達率を−20〜−10dB程度低下されており、更なる低減も可能である。
図14は、水平方向に関する除振効果を示しており、鉛直方向と同じような除振効果が得られている。
図15は、付加物の振動が除振性能を悪化させている例である。付加物の固有振動数は12Hzにあったが(図11参照)、この振動の影響を考慮していないので、12Hz付近で振動伝達率が増加し、除振性能を著しく悪化させている。
FIG. 13 shows the vibration isolation effect in the vertical direction, in which the thick solid line is uncontrolled, the thin broken line is the state FB control only, and the thin solid line is the two-degree-of-freedom control with the FF control added. Five vibration modes were included in the range of 20 Hz at the time of non-control, but only one peak appeared in the vicinity of 10 Hz by the state FB control, as if exhibiting vibration characteristics of a one-degree-of-freedom vibration system. This indicates that the table is a rigid table by the state FB control although it is originally a flexible table. However, in the state FB control, even if vibration control can be performed, the vibration transmissibility cannot be lowered. This can be done by adding FF control.
Thus, by combining the two controls, the vibration transmissibility is reduced by about −20 to −10 dB, and further reduction is possible.
FIG. 14 shows the vibration isolation effect in the horizontal direction, and the same vibration isolation effect as in the vertical direction is obtained.
FIG. 15 is an example in which the vibration of the appendage deteriorates the vibration isolation performance. Although the natural frequency of the appendage was 12 Hz (see FIG. 11), since the influence of this vibration was not taken into account, the vibration transmissibility increased in the vicinity of 12 Hz, which significantly deteriorated the vibration isolation performance.

ランダムノイズに対する時刻暦応答の比較例を図16、図17に示す。
図16は、図13と同様の2自由度制御を用いており、鉛直加振時の質点1(図6参照)で測定された応答である。図17についても、図14と同様の2自由度制御を用いてX方向加振時のX方向で測定された応答である。各図において、各々上段が地動外乱入力、中段が非制御時、下段が状態FB制御とFF制御の組み合わせ時の時刻暦応答である。それぞれ、FB制御とFF制御との組み合わせによってテーブルに伝達される振動が1/10以下に低減されている。
このように、図13及び図14,図16及び図17のように、付加物が載置されていない状態では、2自由度制御を用いることにより良好な除振効果を得ることができる。しかし、図15のように、付加物が載置されている状態では、付加物の影響によって所望の除振効果を発揮できない。
Comparative examples of time calendar responses to random noise are shown in FIGS.
FIG. 16 shows the response measured at the mass point 1 (see FIG. 6) at the time of vertical vibration, using the two-degree-of-freedom control similar to FIG. FIG. 17 also shows the response measured in the X direction during vibration in the X direction using the two-degree-of-freedom control similar to that in FIG. In each figure, the upper stage is the ground motion disturbance input, the middle stage is the non-control, and the lower stage is the time calendar response when the state FB control and the FF control are combined. In each case, the vibration transmitted to the table is reduced to 1/10 or less by the combination of the FB control and the FF control.
As described above, as shown in FIGS. 13, 14, 16, and 17, in a state where no additional object is placed, a good vibration isolation effect can be obtained by using the two-degree-of-freedom control. However, as shown in FIG. 15, in the state where the additive is placed, a desired vibration isolation effect cannot be exhibited due to the influence of the additive.

次に、本実施例の実験結果を示す。
付加物の振動を取り込んだ状態FB制御系は式(10),(11)を用いて設計している。このFB制御によって付加物の振動は良く制御されているので、FF制御によって更なる振動伝達率の低減が行われている。
この結果を時刻暦応答によって見たものが図18である。非制御時には付加物の振動の影響で外乱入力よりも除振テーブルの振動の方が増加しているが、2自由度制御によって付加物の振動の影響は取り除かれている。
Next, experimental results of this example are shown.
The state FB control system incorporating the vibration of the appendage is designed using the equations (10) and (11). Since the vibration of the additive is well controlled by the FB control, the vibration transmissibility is further reduced by the FF control.
FIG. 18 shows the result of the time calendar response. At the time of non-control, the vibration of the vibration isolation table is increased more than the disturbance input due to the influence of the vibration of the additional material, but the influence of the vibration of the additional material is removed by the two-degree-of-freedom control.

図19には、ランダムノイズに対する時刻暦応答が示されている。同図からも、2自由度制御によって付加物の影響が取り除かれていることがわかる。
図15との対比の下で、図18及び図19からわかるように、付加物自体をモデルに組み込むことによって、除振テーブルだけでなく付加物も制振することができる。
FIG. 19 shows a time calendar response to random noise. It can also be seen from the figure that the effect of the additive is removed by the two degree of freedom control.
As can be seen from FIG. 18 and FIG. 19 in comparison with FIG. 15, not only the vibration isolation table but also the additional object can be controlled by incorporating the additional object itself into the model.

次に、付加物自体に外乱として直接入力が入った場合を想定して付加物に1mmの変位を与えて離した時の時刻暦応答を図20に示す。同図において、上から非制御、除振テーブルのみ制御、付加物を考慮した制御の時刻暦応答が示されている。同図から、付加物を考慮した時では速やかに振動が収束していることが分かる。
このように、付加物自体に直接入力が入るといった除振装置だけでは対応できないイレギュラーな状態においても制御性能を保証することができる事を確認した。
Next, FIG. 20 shows a time calendar response when a 1 mm displacement is given to the appendage and released, assuming that the appendage itself is directly input as a disturbance. In the same figure, the time calendar response of non-control from the top, control of only the vibration isolation table, and control in consideration of additional items is shown. From the figure, it can be seen that the vibrations converge quickly when the additionals are taken into account.
As described above, it was confirmed that the control performance can be guaranteed even in an irregular state that cannot be dealt with only by the vibration isolator such as an input directly to the appendage itself.

本発明の実施形態に係る除振装置を示した側面図である。It is the side view which showed the vibration isolator which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る2自由度制御のブロック線図である。It is a block diagram of 2 degree-of-freedom control concerning an embodiment of the present invention. 本発明の実施例に係る除振装置を示した斜視図である。It is the perspective view which showed the vibration isolator which concerns on the Example of this invention. 除振テーブルの鉛直方向の振動モード形を示した図である。It is the figure which showed the vibration mode form of the perpendicular direction of a vibration isolation table. 除振テーブルの水平方向の振動モード形を示した図である。It is the figure which showed the vibration mode form of the horizontal direction of a vibration isolation table. 鉛直方向の5質点集中定数系モデルを示した図である。It is the figure which showed the 5-mass point concentrated constant system model of the perpendicular direction. 鉛直方向のモデルを示した図である。It is the figure which showed the model of the perpendicular direction. 鉛直方向の5質点集中定数系モデルによるシミュレーションと実測による周波数応答を示した図である。It is the figure which showed the frequency response by the simulation by the 5-mass point lumped parameter system model of a perpendicular direction, and measurement. 水平x軸方向のモデルによるシミュレーションと実測による周波数応答を示した図である。It is the figure which showed the frequency response by the simulation by the model of a horizontal x-axis direction, and measurement. 除振テーブル上に付加物を載置した状態を示した斜視図である。It is the perspective view which showed the state which mounted the additional material on the vibration isolation table. 付加物の振動モード形を示した図である。It is the figure which showed the vibration mode form of the appendage. 付加物を含む除振テーブルの水平方向モデルを示した図である。It is the figure which showed the horizontal direction model of the vibration isolation table containing an appendage. 比較例の鉛直方向における周波数応答を示した図である。It is the figure which showed the frequency response in the vertical direction of a comparative example. 比較例の水平方向における周波数応答を示した図である。It is the figure which showed the frequency response in the horizontal direction of a comparative example. 比較例において付加物を載置した際の水平方向における周波数応答を示した図である。It is the figure which showed the frequency response in the horizontal direction at the time of mounting an appendage in a comparative example. 比較例の鉛直方向における時刻歴応答を示した図である。It is the figure which showed the time history response in the vertical direction of a comparative example. 比較例の水平方向における時刻歴応答を示した図である。It is the figure which showed the time history response in the horizontal direction of a comparative example. 付加物の振動を考慮した本実施例による周波数応答を示した図である。It is the figure which showed the frequency response by a present Example which considered the vibration of the appendage. 付加物の振動を考慮した時刻歴応答を示した図である。It is the figure which showed the time history response which considered the vibration of the appendage. 付加物に外乱が加わった際の時刻歴応答を示した図である。It is the figure which showed the time history response when a disturbance is added to an appendage.

符号の説明Explanation of symbols

1 除振装置
3 除振テーブル
5 床
9 制御部
10 搭載物用加速度センサ
11 アクチュエータ装置
13,14 テーブル用加速度センサ
15 床用加速度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anti-vibration device 3 Anti-vibration table 5 Floor 9 Control part 10 Acceleration sensor 11 for mounted objects Actuator devices 13 and 14 Acceleration sensor 15 for tables 15 Acceleration sensor for floors

Claims (5)

搭載物が載置されるとともに、除振対象周波数範囲内で弾性振動モードを有するテーブルと、
該テーブルを駆動する複数のアクチュエータと、
前記テーブルの状態量を測定するテーブル用センサと、
該テーブル用センサの出力を用いるとともに、前記テーブルの前記弾性振動モードを考慮した状態方程式に基づいて、各前記アクチュエータを制御する制御部と、
を備えたアクティブ除振装置において、
前記搭載物の状態量を測定する搭載物用センサを備え、
前記制御部は、前記搭載物用センサの出力を用いて各前記アクチュエータを制御することを特徴とするアクチィブ除振装置。
A table on which the mounted object is placed and has an elastic vibration mode within the vibration isolation target frequency range;
A plurality of actuators for driving the table;
A table sensor for measuring the state quantity of the table;
A controller for controlling each actuator based on an equation of state in consideration of the elastic vibration mode of the table, using the output of the table sensor;
In an active vibration isolator with
A load sensor for measuring a state quantity of the load;
The active vibration isolator, wherein the control unit controls each of the actuators using an output of the mounted object sensor.
前記搭載物は、除振対象周波数範囲内で弾性振動モードを有し、
前記制御部は、前記テーブルの前記弾性振動モードの最高次数に対応した質点数に質量が離散化された集中定数系モデルと、前記搭載物の前記弾性振動モードの最高次数に対応した質点数に質量が離散化された集中定数系モデルと、を考慮した状態方程式に基づいて各前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項1記載のアクティブ除振装置。
The mounted object has an elastic vibration mode within a vibration isolation target frequency range,
The control unit includes a lumped parameter model in which mass is discretized to a mass number corresponding to the highest order of the elastic vibration mode of the table, and a mass number corresponding to the highest order of the elastic vibration mode of the mounted object. 2. The active vibration isolator according to claim 1, wherein each of the actuators is controlled based on a state equation in consideration of a lumped parameter model in which the mass is discretized.
前記テーブルが設置される床の状態量を測定する床用センサを備え、
前記制御部は、該床用センサの出力を用いたフィードフォワード制御によって各前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項1又は2記載のアクティブ除振装置。
A floor sensor for measuring a state quantity of the floor on which the table is installed;
The active vibration isolator according to claim 1, wherein the control unit controls each actuator by feedforward control using an output of the floor sensor.
前記制御部は、ローパスフィルタを備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアクティブ除振装置。   The active vibration isolation device according to claim 1, wherein the control unit includes a low-pass filter. 搭載物が載置されるとともに、除振対象周波数範囲内で弾性振動モードを有するテーブルと、
該テーブルを駆動する複数のアクチュエータと、を備え、
前記テーブルの状態量を測定するテーブル用センサと、
該テーブル用センサの出力を用いるとともに、前記テーブルの前記弾性振動モードを考慮した状態方程式に基づいて、各前記アクチュエータを制御するアクティブ除振方法において、
前記搭載物の状態量を用いて前記各アクチュエータを制御することを特徴とするアクティブ除振方法。
A table on which the mounted object is placed and has an elastic vibration mode within the vibration isolation target frequency range;
A plurality of actuators for driving the table,
A table sensor for measuring the state quantity of the table;
In the active vibration isolation method that uses the output of the table sensor and controls each actuator based on a state equation that takes into account the elastic vibration mode of the table,
An active vibration isolation method, wherein each actuator is controlled using a state quantity of the mounted object.
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