JP2009515107A - 振動分離システム及び方法 - Google Patents

Abstract

振動から質量を分離するシステムは、質量３２へ動作上接続され、複合制御信号４６に応答する作動装置３４と、質量３２の位置を測定するよう動作上接続され、位置信号３８を生成する位置センサ３６と、位置信号３８及び位置設定点信号５８に応答して、位置誤差信号５０を生成する比較器５１と、位置誤差信号５０に応答して、複合制御信号４６を生成する結合制御装置４０とを有する。結合制御装置４０は、位置誤差信号５０が動作範囲外にある場合にシステム特性を変更するよう複合制御信号４６を調整する。

Description

本発明は、概して、振動分離システム、より具体的には、非線形制御を伴う振動分離システムに関する。

ある繊細な製造工程及び器具の使用は、それらの周囲の振動からの質量（mass）の分離を必要とする。繊細な製造工程の一例は、集積回路を作るためのフォトリソグラフィである。集積回路が作られるウェハは、床の振動に敏感なテーブルの上で結合（dock）される。如何なる振動も、フォトリソグラフィの精度に影響を及ぼし、集積回路の品質を低下させる。繊細な器具の使用の一例は、例えば受振器のような地震計である。地震計では、質量は、床の振動を検出すべく自由に動くようにされなければならない。繊細な器具の使用の他の例は、慣性基準質量を有するアクティブな振動分離のためのペイロード分離システムにおける基準質量としての当該質量の使用である。これは、Vervoordeldonk等によるＷＯ２００５／０２４２６６Ａ１、「Actuator Arrangement for Active Vibration Isolation Comprising an Inertial Reference Mass（慣性基準質量を有するアクティブな振動分離のための作動装置配置）」（特許文献１）に記載される。特許文献１は、本願の指定代理人が担当しており、参照することによって本願に援用される。基準質量は、例えばフォトリソグラフィ用テーブルのようなペイロードまでの距離を測定するための定常点を与える。

図１は、標準的なサスペンションシステムのブロック図である。標準的なモデルは、剛性ｋ及び減衰係数ｄを有する面上で支持された、分離されるべき質量Ｍを含む。振動分利用途では、剛性ｋは、低い共振周波数を提供するよう小さい。剛性ｋは、最良の振動分離を提供するよう可能な限り小さくされなければならない。しかし、これにより、質量Ｍが外乱によって励振される場合の性能は悪い。第１に、このようなシステムは、外力によって乱される場合に、大きな時間的及び空間的偏位をもたらす。第２に、このようなシステムは、外力によって乱された後に、柔軟につり下げられた質量のゆっくりとした安定化動作を示す。過度の外乱後の大きな偏位を低減するための１つのアプローチは、質量の運動を制限するよう物理的なエンドストップ（end stop）を組み込むことである。これは、エンドストップで質量への比較的大きな外乱力を生じさせ、安定するまでの時間を予測不可能なものとしうる。更に、柔軟につり下げられた質量がエンドストップによって制限される場合は、位置合わせが問題となりうる。

図２Ａ及び２Ｂは、夫々、アクティブなサスペンションシステムに関するブロック図及び剛性ｋ対位置Ｘｒｅｆのグラフである。図２Ａに表されるアクティブなサスペンションシステムは、位置センサＰによって検知された位置を有する質量Ｍを含む。位置センサＰは、線形制御器ＣＬへ与えられる位置信号を生成する。線形制御器ＣＬは、質量Ｍを駆動する作動装置Ｆへ線形制御信号を供給する。制御ループは、位置誤差に関わらず同じ剛性及び減衰を提供し、図１に関して論じられた性能問題を生じさせる。

図２Ｂは、例えば０．５Ｈｚといった極めて低い周波数で質量をつり下げようとする場合に、実際の作動装置に存在する寄生剛性によりアクティブなサスペンションシステムで生ずる安定性の問題を表す。０．２ｋｇの質量に関し、アクティブなサスペンションシステムの剛性ｋは２Ｎ／ｍ程度でなければならず、これは極めて低い。あいにく、実際の作動装置に存在する寄生剛性は約１０Ｎ／ｍであり、これは、必要とされる２Ｎ／ｍの剛性の５から１０倍である。

図２Ｂを参照して、基準質量の動作範囲２０は、１．５ｍｍの位置Ｘｒｅｆの周りで約１００μｍである。曲線Ａは、作動装置Ｆの剛性が位置Ｘｒｅｆとともに変化する様子を表す。即ち、作動装置の剛性は、位置に関して一定ではない。曲線Ｂは、制御装置ＣＬの剛性が位置Ｘｒｅｆとともに変化する様子を表す。即ち、制御装置の剛性は、位置に関して一定ではない。曲線Ｃは、曲線Ａの作動装置の剛性及び曲線Ｂの制御装置の剛性を組み合わせることで得られる結合剛性を表す。
ＷＯ２００５／０２４２６６Ａ１、「Actuator Arrangement for Active Vibration Isolation Comprising an Inertial Reference Mass（慣性基準質量を有するアクティブな振動分離のための作動装置配置）」、Vervoordeldonk等

上記の例における問題は、位置Ｘｒｅｆが０から１ｍｍの間にある場合に起こる。この場合に、曲線Ｃの結合剛性は負である。この負の領域で、質量Ｍの動作は不安定である。これは、負の領域が回避されうる場合には問題ではないが、質量Ｍは、システムが開始時に切り離されており（undock）、質量Ｍが動作範囲２０を移動する場合は、負の領域を通らなければならない。質量Ｍは、また、質量に作用する床の振動及び外力からの過度な外乱により負の領域に入ることがある。安定性の問題を解決する１つのアプローチは、曲線Ｂの制御装置の剛性に剛性及び／又は減衰を加えることである。従って、曲線Ｃの結合剛性は、もはや、位置Ｘｒｅｆが０から１ｍｍの間にある場合に負ではない。しかし、これは、振動分離性能が悪化するにつれ、更なる問題を生み出す。

このような欠点を解消する振動分離システム及び方法を有することが望ましい。

本発明の一の態様は、振動から質量を分離するシステムであって、前記質量へ動作上接続され、複合制御信号に応答する作動装置と、前記質量の位置を測定するよう動作上接続され、位置信号を生成する位置センサと、前記位置信号及び位置設定点信号に応答して、位置誤差信号を生成する比較器と、前記位置誤差信号に応答して、前記複合制御信号を生成する結合制御装置とを有し、前記結合制御装置は、前記位置誤差信号が動作範囲外にある場合にシステム特性を変更するよう前記複合制御信号を調整する、システムを提供する。

本発明の他の態様は、振動から質量を分離する方法であって、前記質量の位置を測定する段階と、前記位置及び位置設定点から位置誤差を計算する段階と、前記位置誤差が動作範囲内である場合に前記質量を制御するよう第１の利得を適用する段階と、前記位置誤差が前記動作範囲外である場合に前記質量を制御するよう第２の利得を適用する段階とを有し、前記第２の利得は前記第１の利得よりも大きい方法を提供する。

本発明の他の態様は、振動から質量を分離するシステムであって、前記質量の位置を測定する手段と、前記位置及び位置設定点から位置誤差を計算する手段と、前記位置誤差が動作範囲内である場合に前記質量を制御するよう第１の利得を適用する手段と、前記位置誤差が前記動作範囲外である場合に前記質量を制御するよう第２の利得を適用する手段とを有し、前記第２の利得は前記第１の利得よりも大きいシステムを提供する。

本発明の上記並びに他の特徴及び効果は、添付の図面に関連して読まれる目下好ましい実施例に関する以下の詳細な記載から更に明らかとなるであろう。詳細な記載及び図面は、添付の特許請求の範囲に定義される本発明及びその均等の適用範囲を限定するものではなくむしろ、本発明を説明しているにすぎない。

図３は、本発明に従って作られた振動分離システムの概要図である。質量３２を分離する振動分離システム３０は、作動装置３４と、位置センサ３６と、比較器５１と、結合制御装置４０とを有する。位置センサ３６は、質量３２の位置を測定し、位置信号３８を生成する。この位置信号３８は比較器５１へ供給される。比較器５１は、位置信号３８を位置設定点信号５８と比較して、位置誤差信号５０を生成する。結合制御器４０は、位置誤差信号５０に応答して、複合制御信号４６を生成する。作動装置３４は、複合制御信号４６に応答して、質量３２を駆動する。一の実施例では、結合制御装置４０は、線形制御器４２及び非線形制御器４４を有する。一の実施例では、比較器５１は、結合制御装置４０に含まれる。動作の間、質量３２は、通常は、質量動作範囲内に位置付けられている。非線形制御器４４は、位置信号３８が質量動作範囲に対応する動作範囲の外側にある場合は、システム特性を変更するよう複合制御信号４６を調整する。ここで使用されるように、システム特性は、システム剛性及び／又は減衰として定義される。

質量３２は、分離が望ましい如何なる質量であっても良い。一の実施例では、質量３２はフォトリソグラフィ用テーブルである。他の実施例では、質量３２は受振器の質量である。更なる他の実施例では、質量３２は、慣性基準質量を有するアクティブな振動分離のためのペイロード分離システムにおける基準質量である。質量３２は、１よりも多い方向での移動を考慮するよう１よりも多い自由度を有してつり下げられ得る。例えば、質量３２は、水平な又は垂直な運動を可能にするよう取り付けられ得る。

位置センサ３６は、質量３２の位置を測定し且つその測定に応答して位置信号３８を生成する如何なる位置センサであっても良い。適切な位置センサの例は、容量センサ、干渉計、誘導センサ、エンコーダ等を含む。所謂当業者には明らかなように、必要に応じて、例えば質量速度又は質量加速度のような他の測定値から、位置は決定可能である。図３の例では、質量３２の位置は面４８に対して測定される。

結合制御装置４０は、位置誤差信号５０に応答して複合制御信号４６を生成する如何なる非線形制御器であっても良い。結合制御装置４０は、累進的な剛性（progressive stiffness）及び／又は減衰（damping）を提供するようシステム特性を変更する。一の実施例では、結合制御装置４０は、線形制御器４２及び非線形制御器４４を有する。線形制御器４２は、複合制御信号４６へ線形成分を与え、非線形制御器４４は、複合制御信号４６へ非線形成分を与える。一の実施例では、線形制御器４２はＰＩＤ（比例、積分、微分）制御器である。代替の実施例では、結合制御装置４０は第１及び第２の非線形制御器を有する。第１の非線形制御器は、複合制御信号４６へ第１の非線形成分を与え、第２の非線形制御器は、複合制御信号４６へ第２の非線形成分を与える。一の実施例では、結合制御装置４０は比較器５１を含む。従って、結合制御装置４０は、位置信号３８及び位置設定点信号５８に応答して、位置誤差信号５０を生成する。一の実施例では、結合制御装置４０は、コンピュータ、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ等で実行される１又はそれ以上のプログラムとして実施され得る。他の実施例では、結合制御装置４０は、デジタル回路及び／又はアナログ回路として実施され得る。

作動装置３４は、質量３２を移動させるよう動作可能な如何なるアクチュエータであっても良い。作動装置３４の一例はローレンツモータである。一実施例では、作動装置３４から出力される力は、複合制御信号４６の入力電流に比例する。一実施例では、作動装置３４はリニアドライブである。他の実施例では、作動装置３４は、回転動作を線形動作に変換する適切な歯車装置を備えた回転駆動部である。所謂当業者には明らかなように、作動装置３４は、通常は、作動装置を動作させるための所望のレベルへ複合制御信号４６を高めるために、例えば電流増幅器又は電圧増幅器のような増幅器を含む。

動作において、位置センサ３６は、質量３２の位置を測定し、その位置を示す位置信号３８を比較器５１へ供給する。比較器５１は、位置信号３８及び位置設定点信号５８から位置誤差信号５０を計算する。位置誤差信号５０に応答して、結合制御装置４０は、質量３２の位置を調整するために複合制御信号４６を作動装置３４へ供給する。位置誤差信号５０が動作範囲内である場合は、結合制御装置４０は、質量３２を制御する、即ち、作動装置３４によって質量３２へ加えられる力を制御する第１の利得を有する。位置誤差信号５０が動作範囲外にある場合は、結合制御装置４０は、質量３２を制御する、即ち、作動装置３４によって質量３２へ加えられる力を制御する第２の利得を制御する。第２の利得は第１の利得よりも大きい。

図４Ａ及び４Ｂは、本発明に従って作られた振動分離システムの並列及び直列制御構造のブロック図である。結合制御装置内の非線形制御器は、位置誤差がその動作範囲外にある場合は振動分離システムのシステム特性を変更し、余分の剛性及び／又は減衰を線形制御器によって供給される剛性及び減衰に加える。

図４Ａは並列制御構造を表す。比較器５１では、位置設定点信号５８（Ｘｓｅｔｐｏｉｎｔ）が、質量３２の位置を示す位置信号３８（Ｘｒ）と比較され、位置誤差信号５０（ε）が生成される。位置誤差信号５０は、結合制御装置４０の線形制御器４２及び非線形制御器４４へ与えられる。線形制御器４２は、位置誤差信号５０に応答して、線形制御信号５２を生成する。非線形制御器４４は、位置誤差信号５０に応答して、非線形制御信号５４を生成する。線形制御信号５２及び非線形制御信号５４は、複合制御信号４６を生成するために加算ノード５６で足し合わされる。作動装置（図示せず。）は、複合制御信号４６に応答して質量３２へ力Ｆを加える。非線形制御信号５４は、質量３２がその動作範囲外にあることを位置誤差信号５０が示す場合は、即ち、位置誤差信号５０の絶対値が所定値を超える場合は、複合制御信号４６に寄与する。

図４Ｂは直列制御構造を表す。比較器５１では、位置設定点信号５８（Ｘｓｅｔｐｏｉｎｔ）が、質量３２の位置を示す位置信号３８（Ｘｒ）と比較され、位置誤差信号５０（ε）が生成される。位置誤差信号５０は、結合制御装置４０の非線形制御器４４へ与えられる。非線形制御器４４は、位置誤差信号５０に応答して、非線形制御信号５４を生成する。非線形制御信号５４は線形制御器４２へ与えられる。線形制御器４２は、非線形制御信号５４に応答して、複合制御信号４６を生成する。作動装置（図示せず。）は、複合制御信号４６に応答して質量３２へ力Ｆを加える。非線形制御器４４は、質量３２がその動作範囲外にあることを位置誤差信号５０が示す場合は、非線形性成分を複合制御信号４６に与える。線形制御器４２は、非線形制御信号５４を変形して、複合制御信号４６に線形成分を与える。所謂当業者には明らかなように、線形制御器４２及び非線形制御器４４の順序は、必要に応じて入れ替えることができる。

図５は、本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御器の剛性対位置誤差のグラフである。非線形制御器からの剛性は、線形制御器によって与えられる剛性に加えられる。この例では、制御構造は並列制御構造であり、非線形制御器は、位置誤算信号に応答して、非線形制御信号を生成する。各曲線は、位置誤差がその動作範囲内にある場合に適用される動作範囲部分と、位置誤差がその動作範囲内にある場合に適用される累進的な剛性部分とを含む。剛性は、動作範囲部分における基本的な剛性及び、累進的な剛性部分における増大する剛性である。剛性は、非線形制御器の利得を示す。

図５の曲線Ａ乃至Ｄは、非線形制御曲線の様々な実施例を表す。各曲線は、動作範囲７０において基本剛性ｋ０を有する動作範囲部分（これは、この例では、０±１００μｍの位置誤差に対応する。）と、動作範囲７０の外側の累進的な剛性部分とを有する。一実施例では、基本剛性ｋ０は最小又は０である。他の実施例では、基本剛性ｋ０は、振動分離システムにおいて所望の共振周波数を生成する所定の剛性値である。一実施例では、２Ｎ／ｍの小さい基本剛性ｋ０は、柔軟につり下げられた（soft suspended）基準質量に関して０．５Ｈｚを生じさせるために使用される。所謂当業者には明らかなように、線形制御器は、非線形制御器が動作範囲部分で所要の基本剛性を提供する場合は、必要に応じて削除され得る。

図５の曲線Ａ乃至Ｄは、また、異なる累進的な剛性部分の例を表す。曲線Ａは傾斜直線の累進的剛性部分を有し、剛性は動作範囲から離れるにつれて線形に増大する。曲線Ｂは放物線の累進的剛性部分を有し、剛性は動作範囲から離れるにつれて放物線状に増大する。曲線Ｃは複合型の累進的剛性部分を有し、累進的剛性部分の剛性は、最初、なだらかな移行部では動作範囲から離れるにつれて放物線状に増大し、次いで、線形部分では線形に増大する。曲線Ｄは階段状の累進的剛性部分を有し、累進的剛性部分の剛性は全ての位置誤差に関して一定である。所謂当業者には明らかなように、累進的な剛性部分の形状は、特定のシステムのシステムダイナミクスに関して望ましい如何なる形状であっても良い。例えば、累進的な剛性部分の形状は、階段状の部分、傾斜直線部分、放射線部分、双曲線部分、他の円錐曲線部分、及びそれらの組み合わせ等でありうる。一の実施例では、非線形制御器の曲線の累進的な剛性部分は所定の最大剛性で切り取られる（クリッピング）。故に、累進的な剛性部分の値は、位置誤差の絶対値が大きくなる場合は、即ち、位置誤差が所定範囲外にある場合は制限される。一の実施例では、非線形制御器の曲線は、システムが動作範囲の中及び外を通る場合に、移行の影響による望まないシステムの励振を回避するよう動作範囲部分と累進的な剛性部分との間をなだらかに移行する。

図６は、本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御器のブロック図である。非線形制御器は、位置誤差信号に応答して、非線形制御信号を生成する。要素及び信号の近くに図示された小さなグラフは、位置誤差信号の関数として当該位置での信号を示す。

この例で、非線形制御器４４は位置誤差信号５０（ε）を受信する。位置誤差信号５０は、第１の利得要素８０及び第２の利得要素８２へ供給される。第１の利得要素８０は、第１のスケーリング位置誤差信号８４を生成する。この信号８４は、第１の関数発生器８６及び第２の関数発生器８８へ供給される。第１の関数発生器８６は負の入力制御信号９０を生成する。この信号９０を、インバータ９２は、反転された負の入力制御信号９４へと変換する。第２の関数発生器８８は正の入力制御信号９６を生成する。この信号９６は、正の制御信号１００を生成するために、加算ノード９８で、反転された負の入力制御信号９４と足し合わされる。一の実施例では、正の制御信号１００は、制限された制御信号１０４を生成するために、任意的なリミッタ１０２で切り取られる（クリッピング）。リミッタ１０２は、位置誤差が所定範囲外にある場合に、制限された制御信号１０４をクリップさせるために、即ち、制限された制御信号１０４の大きさを制限するために使用され得る。これは、幾つかの振動分離システムでは望まく、振動分離システムが大きな位置偏位に直面する場合に、剛性を制限して、潜在的な不安定性及び振動を回避することができる。他の実施例では、リミッタ１０２は削除され、正の制御信号１００は直に乗算器１０８へ供給される。第２の利得要素８２は、位置誤差信号５０に応答して、第２のスケーリング位置誤差信号１０６を生成する。この信号１０６は、乗算器１０８へ供給される。乗算器１０８は、制限された制御信号１０４及び第２のスケーリング位置誤差信号１０６を掛け合わせて、非線形制御信号５４を生成する。

非線形制御器４４の要素及び値は、所望の性能に関して変更され得る。第１の利得要素８０の利得Ｋ１は、位置誤差信号５０を増減（スケーリング）することによって非線形制御器４４の全体的な範囲を調整するよう選択され得る。第２の利得要素８２の利得Ｋ２は、非線形制御器４４の全体的な利得を調整するよう選択され得る。他の実施例で、第２の利得要素８２は、図６の例では比例制御器であるが、動作範囲外の振動分離システムの減衰定数を増大させるために比例−微分（ＰＤ）制御器と置換され得る。一の実施例では、第１の関数発生器８６及び第２の関数発生器８８は、ダイオード−抵抗器回路であっても良く、第１の抵抗器の値は、非線形制御器の曲線の累進的な剛性部分の利得を決定する。当業者には明らかなように、関数発生器は、動作範囲においてゼロ又は最小の剛性を与え、動作範囲からの距離とともに剛性を増大させるアナログ回路及び／又はデジタル回路でありうる。第１の関数発生器８６及び第２の関数発生器８８は、同じであっても、あるいは、異なるものであっても良い。剛性は、動作範囲の中心（ゼロ位置誤差）に関して対称又は非対称でありうる。

図７Ａ及び７Ｂは、夫々、本発明に従って作られた振動分離システムの関数発生器に関する剛性対位置誤差のグラフ及び回路図である。第２の関数発生器８８は、第１のスケーリング位置誤差信号８４を受信する第１の抵抗器Ｒ１と、ダイオードＤ１と、第２の抵抗Ｒ２と、正の入力制御信号９６を供給する演算増幅器Ｕ１とを有するダイオード−抵抗器回路である。図７Ａの剛性対位置誤差のグラフは、どのように非線形制御器の曲線の累進的剛性部分の利得が第１の抵抗器Ｒ１の抵抗によって決定され得るかを表す。剛性は、非線形制御器の利得を示す。第２の関数発生器８８は、累進的な剛性部分において負の位置誤差に関してはほぼゼロであり、正の位置誤差に関しては正の値及び正の傾きを有する非線形制御器の曲線を与える。第１の抵抗器の抵抗が０Ωである場合に関する曲線Ａは、累進的な剛性部分で指数関数的な利得を有する。第１の抵抗器Ｒ１の抵抗が３３００Ωである場合に関する曲線Ｂは、累進的な剛性部分で約−Ｒ２／Ｒ１の一定の利得を有し、標準的な反転増幅器に類似する。第１の抵抗器Ｒ１及び第２の抵抗器Ｒ２の抵抗値は、特定の振動分離システムに関して望ましい利得を提供するよう選択され得る。当業者には明らかなように、ダイオードＤ１のダイオード方向（バイアス方向）は、図６の第１の関数発生器８６を構成するために、即ち、累進的な剛性部分において正の位置誤差に関してはほぼゼロであり、負の位置誤差に関しては負の値及び正の傾きを有する非線形制御器の曲線を提供するために逆にされ得る。

図８は、本発明に従って作られた振動分離システムに関する制限された制御信号対位置誤差のグラフである。図８は、図６の非線形制御器４４の位置誤差信号５０の関数として、制限された制御信号１０４の測定値を示す。なお、制限された制御信号１０４は反転されている。この例では、第１の関数発生器８６及び第２の関数発生器８８は、図７Ａ及び７Ｂに関して論じられたように、ダイオード−抵抗器回路である。図８の曲線Ａでは、第１の抵抗器Ｒ１は０Ωの抵抗を有し、リミッタは使用されず、累進的な剛性部分では指数関数的な利得が得られる。曲線Ｂでは、第１の抵抗器Ｒ１は２．３ｋΩの抵抗を有し、リミッタ１０２は使用されず、累進的な剛性部分ではクリッピングを伴わずに、即ち、制限された制御信号の大きさが制限されることなく、線形に近い利得が得られる。曲線Ｃでは、第１の抵抗器Ｒ１は２．３ｋΩの抵抗を有し、リミッタ１０２が使用され、累進的な剛性部分ではクリッピングを伴った線形な利得が得られる。

図９は、本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御器の回路図である。図９で、図６と同じ要素は同じ参照番号を付されている。この例で、第１の関数発生器８６及び第２の関数発生器８８はダイオード−抵抗器回路である。

図１０は、本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御器の他の実施例のブロック図である。非線形制御器は、位置誤差信号に応答して、非線形制御信号を生成する。非線形制御信号は、線形制御器からの線形制御信号と結合されて、複合制御信号が生成される。

この例で、非線形制御器１４４は位置誤差信号５０（ε）を受信する。位置誤差信号５０は、第１の利得要素１８０へ供給される。第１の利得要素８０は、スケーリング位置誤差信号１８４を生成する。この信号１８４は、関数発生器１８６へ供給される。関数発生器１８６は入力制御信号１９０を生成する。この信号１９０は、第２の利得要素１８２へ供給される。関数発生器１８６の近くに示された小さなグラフは、スケーリング位置誤差信号１８４の関数として当該点での信号を表す。第２の利得要素１８２は、非線形制御信号５４を生成する。

他の実施例では、非線形制御器１４４は、非線形制御信号５４をクリップさせる、即ち、位置誤差が所定範囲外にある場合に非線形制御信号５４の大きさを制限するリミッタを有することができる。第１の利得要素１８０の利得Ｋ１は、位置誤差信号５０を増減（スケーリング）することによって非線形制御器１４４の全体的な範囲を調整するよう選択され得る。第２の利得要素１８２の利得Ｋ２は、非線形制御器１４４の全体的な利得を調整するよう選択され得る。

図１１Ａ及び１１Ｂは、夫々、本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御器の他の実施例に関する非線形制御信号対位置誤差のグラフ及び回路図である。この例では、非線形制御器１４４は、第１の抵抗器Ｒ１１と、第１のダイオードＤ１１と、第２のダイオードＤ１２と、第２の抵抗器Ｒ１２と、演算増幅器Ｕ１１とを有するダブルダイオード−抵抗器回路である。第１のダイオードＤ１１及び第２のダイオードＤ１２は、ダブルダイオード（双二極管）構造で実装され、各ダイオードの陰極は他方のダイオードの陽極へ接続されている。これは、非線形制御器曲線の動作範囲部分を提供する。第１のダイオードＤ１１又は第２のダイオードＤ１２のどちらも、位置誤差信号５０の絶対値が十分な順方向バイアス電圧を供給するまでは導通しない。非線形制御器曲線の累進的剛性部分の利得は、第１の抵抗器Ｒ１１の抵抗によって決定され得る。非線形制御器の曲線Ａは、第１の累進的剛性部分１９２と、動作部分１９４と、第２の累進的剛性部分１９６とを有する。曲線Ａは、累進的な剛性部分で約−Ｒ１２／Ｒ１１の一定の利得を有する。当業者には明らかなように、制御器曲線Ａは、更に、特定の使用に関して望まれるように適合され得る。

図１２は、本発明に従って作られた振動分離システムを用いるアクティブな振動分離のためのペイロード分離システムのブロック図である。振動分離システムは、固定基準質量を提供する。ペイロード２０２を分離するペイロード分離システム２００は、作動装置２０８と、エアマウント（airmount）２１０と、質量３２と、振動分離システム３０とを有する。一例において、ペイロード２０２は、リソグラフィ装置に備わるメトロフレーム（metroframe）である。例えばローレンツモータのような作動装置２０８は、ペイロード２０２と地面２１６との間に配置され得る。エアマウント２１０は、ピストン２１２及びガスが充満した筐体２１４を有し、筐体２１４の中をピストン２１２が動くことができる。バルブ２２０は、導管２２１によって筐体２１４へ接続されている。

ペイロード分離システム２００に対して柔軟につり下げられた固定基準質量である質量３２を分離する振動分離システム３０は、質量３２を駆動する作動装置３４と、質量３２の位置を測定する位置センサ３６とを有する。位置センサ３６は、質量３２と地面２１６との間の距離Ｚ３を測定し、位置信号３８を生成する。位置信号３８は結合制御装置４０へ供給される。結合制御装置４０は、位置信号３８に応答して、複合制御信号４６を生成する。作動装置２０８は、複合制御信号４６に応答して、質量３２を駆動する。一の実施例では、結合制御装置４０は線形制御器及び非線形制御器を有する。動作の間、質量３２は、通常は、質量動作範囲内に位置付けられている。非線形制御器４４は、位置信号３８が質量動作範囲に対応する動作範囲外にある場合は、システム特性を変更するよう複合制御信号４６を調整する。ここで使用されるように、システム特性は、システム剛性及び／又は減衰として定義される。当業者には明らかなように、結合制御装置４０は、位置誤差信号５０に応答して、複合制御信号４６を生成し、システム特性を変更する如何なる非線形制御器であっても良い。

センサ２２６は、基準質量３２とペイロード２０２との間の距離Ｚ２を測定する。センサ２２６は、出力信号を比較器２２８へ送る。比較器２２８は、また、基準信号Ｚｒｅｆを受信し、センサ２２６から受信した出力信号を基準信号Ｚｒｅｆから減ずる。この比較に基づく出力信号は、比較器２２８によって制御器２０６へ加えられる。制御器２０６は、作動装置２０８へ接続されており、バルブ２２０へ接続され得る。当業者には明らかなように、制御器２０６は、累進的な剛性及び／又は減衰を提供するようシステム特性を変化させる非線形な結合制御装置でありうる。一の実施例では、制御器２０６は、線形制御器及び非線形制御器を有する。

ここで開示される本発明の実施例は、現在のところは好ましいものと考えられるが、様々な変形及び改良が、本発明の適用範囲を逸脱することなく行われ得る。一の実施例で、ここで論じられる様々な信号を生成及び処理する電子装置は、アナログ回路、デジタル回路、又はアナログ回路及びデジタル回路の組み合わせでありうる。他の実施例で、ここで記載される制御ループは、また、例えば低域通過フィルタ、一般的な２次フィルタ、及び／又はノッチフィルタのようなフィルタを有することができる。フィルタの使用に関する一例は、システムダイナミクスを調整するためにフィルタを使用すること、例えば、システム不安定を引き起こす機械的な共振を除く（notch away）ためにフィルタを用いることである。フィルタの使用に関する他の例は、センサ雑音の影響を低減するために低域通過フィルタを使用することである。本発明の適用範囲は添付の特許請求の範囲で示され、均等の意味及び範囲にある全ての変形はその中に包含されるよう意図される。

標準的なサスペンションシステムのブロック図である。 アクティブなサスペンションシステムに関するブロック図である。 アクティブなサスペンションシステムに関する剛性ｋ対位置Ｘｒｅｆのグラフである。 本発明に従って作られた振動分離システムのブロック図である。 本発明に従って作られた振動分離システムの並列制御構造のブロック図である。 本発明に従って作られた振動分離システムの直列制御構造のブロック図である。 本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御器に関する剛性対位置誤差のグラフである。 本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御部のブロック図である。 本発明に従って作られた振動分離システムの関数発生器に関する剛性対位置誤差のグラフである。 本発明に従って作られた振動分離システムの関数発生器の回路図である。 本発明に従って作られた振動分離システムに関する制限された制御信号対位置誤差のグラフである。 本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御器の回路図である。 本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御器の他の実施例に関するブロック図である。 本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御器の他の実施例に関する非線形制御信号対位置誤差のグラフである。 本発明に従って作られた振動分離システムの非線形制御器の他の実施例の回路図である。 本発明に従って作られた振動分離システムを用いるアクティブな振動分離のためのペイロード分離システムのブロック図である。

Claims (24)

1. 振動から質量を分離するシステムであって：
   前記質量へ動作上接続され、複合制御信号に応答する作動装置；
   前記質量の位置を測定するよう動作上接続され、位置信号を生成する位置センサ；
   前記位置信号及び位置設定点信号に応答して、位置誤差信号を生成する比較器；及び
   前記位置誤差信号に応答して、前記複合制御信号を生成する結合制御装置；
   を有し、
   前記結合制御装置は、前記位置誤差信号が動作範囲外にある場合にシステム特性を変更するよう前記複合制御信号を調整する、システム。
2. 前記作動装置はローレンツモータである、請求項１記載のシステム。
3. 前記結合制御装置は線形制御器及び非線形制御器を有し、
   前記線形制御器は、前記複合制御信号へ線形成分を与え、
   前記非線形制御器は、前記複合制御信号へ非線形成分を与える、請求項１記載のシステム。
4. 前記線形制御器及び前記非線形制御器は、直列制御構造及び並列制御構造を含むグループから選択される制御構造で接続される、請求項３記載のシステム。
5. 前記非線形成分は、前記動作範囲外で累進的な剛性部を有する、請求項３記載のシステム。
6. 前記非線形成分は、ゼロ剛性、最小剛性、及び所定の剛性を含むグループから選択される基本剛性を有する前記動作範囲内で動作範囲部を有する、請求項３記載のシステム。
7. 前記累進的な剛性部は、階段状の部分、傾斜直線部分、放射線部分、双曲線部分、円錐曲線部分、及びそれらの組み合わせを含むグループから選択される、請求項５記載のシステム。
8. 前記累進的な剛性部はなだらかな移行部を有する、請求項５記載のシステム。
9. 前記動作範囲は、ゼロ位置誤差に関してプラス又はマイナス１００μｍである、請求項１記載のシステム。
10. 線形制御信号及び非線形制御信号に応答して、前記複合制御信号を生成する加算ノードを更に有し、
    前記非線形制御器は：
    前記位置誤差信号に応答して、第１のスケーリング位置誤差信号を生成する第１の利得要素；
    前記第１のスケーリング位置誤差信号に応答して、負の入力制御信号を生成する第１の関数発生器；
    前記負の入力制御信号に応答して、反転された負の入力制御信号を生成するインバータ；
    前記第１のスケーリング位置誤差信号に応答して、正の入力制御信号を生成する第２の関数発生器；
    前記反転された負の入力制御信号及び前記正の入力制御信号に応答して、正の制御信号を生成する加算ノード；
    前記位置誤差信号に応答して、第２のスケーリング位置誤差信号を生成する第２の利得要素；及び
    前記正の制御信号及び前記第２のスケーリング位置誤差信号に応答して、前記非線形制御信号を生成する乗算器；
    を有する、請求項３記載のシステム。
11. 前記正の制御信号に応答して、制限された制御信号を生成するリミッタを更に有し、
    前記制限された制御信号は、前記正の制御信号として前記乗算器へ与えられる、請求項１０記載のシステム。
12. 前記第１の関数発生器及び前記第２の関数発生器のうちの少なくとも１つはダイオード−抵抗器回路である、請求項１０記載のシステム。
13. 前記第２の利得要素は比例−微分（ＰＤ）制御器である、請求項１０記載のシステム。
14. 線形制御信号及び非線形制御信号に応答して、前記複合制御信号を生成する加算ノードを更に有し、
    前記非線形制御器は：
    前記位置誤差信号に応答して、スケーリング位置誤差信号を生成する第１の利得要素；
    前記スケーリング位置誤差信号に応答して、入力制御信号を生成する関数発生器；及び
    前記入力制御信号に応答して、前記非線形制御信号を生成する第２の利得要素；
    を有する、請求項３記載のシステム。
15. 前記非線形制御信号に応答して、前記非線形制御信号を制限するリミッタを更に有する、請求項１４記載のシステム。
16. 前記関数発生器はダブルダイオード−抵抗器回路である、請求項１４記載のシステム。
17. 前記質量は、アクティブな振動分離のためのペイロード分離システムにおける基準質量である、請求項１記載のシステム。
18. 振動から質量を分離する方法であって：
    前記質量の位置を測定する段階；
    前記位置及び位置設定点から位置誤差を計算する段階；
    前記位置誤差が動作範囲内である場合に前記質量を制御するよう第１の利得を適用する段階；及び
    前記位置誤差が前記動作範囲外である場合に前記質量を制御するよう第２の利得を適用する段階；
    を有し、
    前記第２の利得は前記第１の利得よりも大きい方法。
19. 前記位置誤差が所定範囲外である場合に前記第２の利得を制限する段階を更に有する、請求項１８記載の方法。
20. 前記第２の利得は、前記位置誤差の絶対値とともに増大する、請求項１８記載の方法。
21. 振動から質量を分離するシステムであって：
    前記質量の位置を測定する手段；
    前記位置及び位置設定点から位置誤差を計算する手段；
    前記位置誤差が動作範囲内である場合に前記質量を制御するよう第１の利得を適用する手段；及び
    前記位置誤差が前記動作範囲外である場合に前記質量を制御するよう第２の利得を適用する手段；
    を有し、
    前記第２の利得は前記第１の利得よりも大きいシステム。
22. 前記位置誤差が所定範囲外である場合に前記第２の利得を制限する手段を更に有する、請求項２１記載のシステム。
23. 前記第２の利得は、前記位置誤差の絶対値とともに増大する、請求項２１記載のシステム。
24. 前記第２の利得は、階段状の部分、傾斜直線部分、放射線部分、双曲線部分、円錐曲線部分、及びそれらの組み合わせを含むグループから選択される関数に従って増大する、請求項２３記載のシステム。

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