JP2551460B2

JP2551460B2 - 精密機器用能動制振基礎

Info

Publication number: JP2551460B2
Application number: JP63115389A
Authority: JP
Inventors: 忠弘大見; 正志安田
Original assignee: Tokkyokiki Corp
Current assignee: Tokkyokiki Corp
Priority date: 1988-05-12
Filing date: 1988-05-12
Publication date: 1996-11-06
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JPH01288647A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、ステッパ、マスクアライナ、電子ビーム露
光装置、STM、レーザー装置等の半導体製造装置を始め
とする超精密加工・測定装置を載置するための精密機器
用能動制振基礎に関する。

（従来の技術とその問題点）従来、振動を嫌う半導体工場等の精密施設では、特に
精密な機器を設置するスペースとして他のエリアから切
り離した剛性の高い基礎を用いてきた。しかしながら、
半導体設備を例にとってみれば超LSIの開発などの微細
加工のグレードが次第に高くなるに連れてこれらの基礎
の振動特性が問題となってきた。

通常、半導体工場では一般にグレーチング床構造が用
いられ、超精密機器の設置場所は振動の伝達を防ぐため
にその床とは独立した基礎を設けるもので、その高さは
１〜3m程のかさ上げが必要であった。その為、垂直方向
の剛性は比較的十分に維持できるものの水平方向の剛性
を維持する事は非常に困難であった。このような超精密
機器用の基礎においても水平方向の振動の増幅が発生し
易くその対策が要望されていたものであったが、従来の
防振基礎では必ず共振点付近での振動増幅を伴い、更に
は搭載する超精密機器との連成振動の問題もあって、そ
の解決は非常に困難であった。加えて、超精密機器その
ものにも防振装置が組み込まれており、多くの固有モー
ドが同じような周波数帯域に集まり、有効な振動遮断効
果を持たせる事が困難でもあった。

（発明の目的）本発明はかかる従来例の欠点に鑑みて試されたもの
で、その目的とする処はかかる複雑な振動環境を一挙に
解決し、超精密機器への振動伝達を遮断する事の出来る
画期的な精密機器用能動制振基礎を提供するにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、係る従来技術の問題点を解決するために第
１項では；水平方向のばね常数が低く、垂直方向のばね常数が
高い弾性支持体（２）を下部基礎（1b）上に配設して上
部基礎（1a）を支持し、上部基礎（1a）に水平方向に揺動自在な付加質量
（８）を配設して付加質量（８）の水平固有振動数を上
部基礎（1a）の水平固有振動数にほぼ等しく設定し、上部基礎（1a）を振動させる有害振動をセンシング
し、これを位相反転した反転信号にて付加質量（８）の
制御振動を有害振動に対して制御し、付加質量の制御振
動にて有害振動を相殺する。；という技術的手段を採用
しており、第２項では、水平方向に振動可能な基礎本体（１）に水平方向に揺
動自在な付加質量（８）を配設して付加質量（８）の水
平固有振動数を基礎本体（１）の水平固有振動数にほぼ
等しく設定し、基礎本体（１）を振動させる有害振動をセンシング
し、これを位相反転した反転信号にて付加質量（８）の
制御振動を有害振動に対して制御し、付加質量の制御振
動にて有害振動を相殺する、；という技術的手段を採用しており、第３項では、上部基礎（1a）又は基礎本体（１）に設置された一対
のアクティブ制御用アクチュエータ（Ａ）の空気ばね
（6a）（6b）を前記付加質量（８）の両側に設置し且つ
前記空気ばね（6a）（6b）内の圧力調整を行うアクティ
ブ制御用アクチュエータ（Ａ）の圧力容器（4a）（4b）
をオリフィス（５）にて接続し、いずれか一方の圧力容器（4a）｛又は（4b）｝の内圧
を前記反転信号によってコントロールされた振動制御弁
（９）によって制御する。

；と言う技術的手段を採用している。

（作用）以下、本発明にかかる精密機器用能動制振基礎の作用
に付いて説明する。

本発明において、弾性支持体（２）によって振動の増
幅及び伝達をパッシブに絶縁するのであるが、弾性支持
体（２）は上下方向に於いてはばね常数が高いので、上
下方向の振動やロッキング関するものは高い周波数領域
に配される事になる。

一方、この弾性支持体（２）は水平方向のばね常数が
小さいために水平方向ではアクティブ制御が可能にな
る。そこで、水平方向では上部基礎（1a）を振動させる
有害振動をセンシングしてその位相を反転した反転信号
を使用して付加質量（８）を制御し、その制御振動によ
って有害振動を相殺する。その結果、上部基礎（1a）は
有害振動の入力に拘わらず静止状態を維持する。

また、基礎に入力する雑多な周波数の内、基礎を共振
させる或る周波数があるが、付加質量（８）の水平固有
振動数をこの周波数にほぼ等しくする事により、上部基
礎（1a）を振動させる有害振動センシングし、これを反
転させた反転信号を使用して付加質量（８）を制御し、
これによって作り出した制御振動を有害振動に重畳して
有害振動を効率よく相殺する。特に本発明において特徴
的である点は、付加質量（８）が上部基礎（1a）の水平
固有振動数にほぼ等しい水平固有振動数を持つ点であ
る。これにより、上部基礎（1a）の共振点にほぼ一致す
る周波数の外乱が入力して上部基礎（1a）が共振しよう
とする場合に、その共振周波数をセンシングし、これを
反転させた反転信号を使用して付加質量（８）をコント
ロールすると、付加質量（８）も前記コントロールによ
って逆方向にて共振しようとし、両者を重畳する事で効
率よく有害振動を相殺する事ができる。

換言すれば、付加質量（８）の水平固有振動数が上部
基礎（1a）の水平固有振動数と相違する場合、上部基礎
（1a）が共振したとしても付加質量（８）は共振せず、
それと相違する場合、上部基礎（1a）が共振したとして
も付加質量（８）は共振せず、それ故、センシングした
信号を増幅し、これを反転させた反転信号にて付加質量
（８）をコントロールしなければならず、それだけ大き
いコントロールエネルギを必要とすることになる。

また、第２項は弾性支持体（２）と上部基礎（1a）が
なく、下部基礎（1b）と同形状の基礎本体（１）に、基
礎本体（１）とほぼ等しい水平固有振動数を持つ付加質
量（８）を装着した例である。

第３項はアクティブ制御用アクチュエータ（Ａ）の構
成を更に詳述たものである。

（実施例）本発明の精密機器用能動制振基礎の適用を受ける超精
密機器（10）としては、例えばステッパ、マスクアライ
ナ、電子ビーム露光装置、STM、レーザー装置等の半導
体製造装置を始めとする超精密加工・測定装置などがあ
る。

超精密機器（10）に悪影響を与える振動として、例え
ば、常時微動、交通振動、工事振動などの外乱振動、
建屋内部に振動源が存在する内乱振動、建屋外から
同じく入力する振動の内、自然力に依存する自然外力な
どがある。

これら振動は、外乱振動では、振動源地盤建屋
フリーアクセス床（11）架台機器と言うような経路
を取って伝達し、内乱振動は、機器架台フリーアク
セス床架台機器、又は、人の歩行（台車等）フリ
ーアクセス床架台機器と言うような経路を通って伝
達するものである。振動遮断はこの間のどの時点で行っ
ても良いものであるが、本発明では機器（10）を搭載す
る基礎において行うものである。

以下、制振基礎に付いて説明する。本発明第１項に記
載の制振基礎は、第2,4図に示すように下部基礎（1b）
と上部基礎（1a）とで構成されており、下部基礎（1b）
上に配設した弾性支持体（２）にて上部基礎（1a）が支
持されている。弾性支持体（２）は金属板（12）とゴム
板（13）とを交互に積層したもので、垂直方向にはある
程度の抵抗を持つが水平方向の抵抗はわずかである。

上部基礎（1a）に２基１対の固定圧力容器（4a）（4
b）を水平に取着し、固定圧力容器（4a）（4b）間に上
部基礎（1a）から弾性ばねのようなもので懸垂された付
加質量（８）を配設し、固定圧力容器（4a）（4b）と付
加質量（８）との間に空気ばね（6a）（6b）をそれぞれ
介設したもので、空気ばね（6a）（6b）にて付加質量
（８）を挟持・弾接するようになっている。圧力容器
（4a）（4b）はオリフィス（５）を有する導管（14）を
介して互いに連通しており、圧力容器（4a）（4b）と空
気ばね（6a）（6b）とはそれぞれ連通しており、一方の
圧力容器（4a）（4b）には振動制御弁（９）を介して圧
縮空気源（７）が接続されており、この部分全体が上部
基礎（1a）を振動させる有害振動をセンシングしてその
位相を反転した制御用反力を上部基礎（1a）に加えて有
害振動を相殺するアクティブ制御用アクチュエータ
（Ａ）である。

振動制御弁（９）は、例えばサーボ弁や比例制御弁な
ど各種制御弁で、駆動回路（15）によってその開閉度合
が精密に制御される。前期駆動回路（15）は、外部から
伝わってきた振動又は装置自身から発生した振動を検出
する加速度センサのような振動センサ（16）、高周波成
分を過するための低域通過フィルタ、前記振動信号を
演算する演算回路、演算回路から出力された信号の位相
を180゜反転する位相反転器、位相反転された信号に基
づいて前記振動制御弁（９）を制御するための駆動回路
（15）などで構成されている。

しかして、床面から伝わってきた外部振動その他有害
振動の振動量は振動センサ（16）にてこれに対応する振
動信号電圧として検出される。この段階では振動信号電
圧には高周波分が重畳しており、次の低域通過フィルタ
にて高周波成分が過されて比較的滑らかな低周波成分
だけの振動信号電圧として出力される。過された振動
信号電圧は次ぎに演算回路に入力し、変動検出信号とし
て出力される。この変動検出信号は続いて位相反転器に
入力し、180゜位相が反転した反転信号が出力され、次
の駆動回路（15）に入力し、この反転信号に基づいて駆
動回路（15）が前記振動制御弁（９）の開度を緻密に制
御し、一方の圧力容器（4a）の空気圧を制御して付加質
量（８）を振動させ、この制御振動にて外部から入力し
た有害振動を相殺する。この圧力容器（4a）の空気圧を
P₁とする。オリフィス（５）にて接続された他方の圧力
空気（4b）の空気圧をP₂とすると両者は互いに連通しあ
っているのでほぼP₁＝P₂となる。ただし、間にオリフィ
ス（５）が介挿されているためにP₁の振動（交流）成分
はほぼ遮蔽されてP₂へはほぼ静圧（直流）成分のみが伝
わる事になる。これにより、振動制御弁（９）には必要
なレベルの空気圧を設定するだけで振動制御弁（９）に
接続された圧力空気（4a）とこれに対向する他方の圧力
容器（4b）の静圧成分が自動的にバランスする事にな
る。換言すれば、両圧力容器（4a）（4b）の対向力が自
動的に等しくなる。その結果、一方の圧力容器（4a）を
制御すれば足り、差動特性が向上するだけでなく構成も
安価に出来るものである。

又、本発明に使用する弾性支持体（２）は金属板（1
2）と例えばゴム板（13）のような弾性板の積層体であ
るので、上部基礎（1a）に重心の高い設備を載置したと
しても上下方向並びにロッキングに対しては対効力を有
しているので、水平振動によるロッキングなどは生じな
いものである。

また、付加質量（８）の水平固有振動数は上部基礎
（1a）の水平１次モードの固有振動数にほぼ等しく設定
したもので、上部基礎（1a）を振動させる有害振動をセ
ンシングして付加質量（８）の制御振動を有害振動に対
してその位相が反転するように制御した場合、最大効率
で有害振動を相殺する事になる。即ち、付加質量（８）
の水平固有振動数が上部基礎（1a）の水平１次モードの
固有振動数にほぼ等しく設定されているので、有害振動
の共振周波数領域での相殺が可能となって、その結果最
も効果的に制振作用を発揮出来るのである。

第２項は第１項を簡略化したもので、上部基礎（1a）
と下部基礎（1b）とを基礎本体（１）にまとめ、弾性支
持体（２）の代わりに基礎本体（１）事態を水平方向に
振動可能にしたものである。基礎本体（１）に付加質量
（８）を持つアクチュエータ（Ａ）を設けるなどその他
の点並びにその作用は第２項と同じである。

尚、図示していないがオリフィス（５）の代わりに管
抵抗のある管を用いても良いし、一方の圧力容器に振動
制御弁を介して圧縮空気源を接続すると共にオリフィス
の代わりにレギュレータを設けた導管を圧縮空気源から
直接他方の圧縮容器に接続しても良い。ただし、この場
合はレギュレータにて両圧力容器の圧力をバランスさせ
てやる必要がある。その他、一方の空気ばねの対向力と
バランスさせてやる必要があるが、他方の空気ばねを圧
縮スプリングに変える事も可能である。

尚、アクチュエータ（Ａ）は第１図のように通常は上
部基礎（1a）乃至基礎本体（１）の４辺に配設されるも
のである。

上記実施例は空気ばね（6a）（6b）を使用した制御機
構に付いて説明したが、勿論これに限られるものでな
く、電磁石の磁気力を利用したアクチュエータ（Ａ）な
ど各種のものを用いる事が出来る事は言うまでもない。

（効果）本発明第１項は、水平方向のばね常数が低く、垂直方
向のばね常数が高い弾性支持体を下部基礎上に配設して
上部基礎を支持してあるので、上下方向の振動やロッキ
ングに関するものは高い周波数領域に配される事になっ
てたとえ重心の高い装置を載置してもロッキングを起こ
して連成するような事がないものである。又、第１項に
おいては、水平方向のばね常数が小さいために水平方向
ではアクティブ制御が可能になって上部基礎を振動させ
る有害振動をセンシングしてその位相を反転した反転信
号を利用して付加質量をコントロールし、その制御振動
によって有害振動を効果的に相殺する事が出来るもので
ある。その結果、上部基礎は有害振動の入力に拘わらず
静止状態を維持する。

更に、本発明第１〜３項に共通して、上部基礎又は基
礎本体に水平方向に揺動自在な付加質量を配設して付加
質量の水平固有振動数を上部基礎又は基礎本体の固有振
動数にほぼ等しく設定し、上部基礎又は基礎本体を振動
させる有害振動をセンシングし、これを位相反転した反
転信号にて付加質量の制御振動を有害振動に対して制御
しているので、有害振動によって上部基礎が共振しよう
とすと、同一周波数で付加質量も反対方向に共振する事
になり、これによって最も効果的に前記共振を相殺する
事が出来、上部基礎又は基礎本体の静止効果を著しく高
めるものである。

尚、空気ばねを使用したアクチュエータを使用する場
合は、リニアミータ等のアクチュエータに比べて磁場を
発生せず、電子ビーム露光装置など磁場を嫌う精密機器
に対しても適用可能である。

最後に、一般的に建物や構造物は高さ／面積比を大き
くすると垂直方向に対して、剛性を持たせ易く逆に水平
方向には柔になりやすい。そのため、水平方向には構造
物のモードの影響が現れやすく、振幅も増幅して伝達さ
れる。そのため精密施設では建物は低層階設計であり、
基礎も面積を大きくとる必要が有った。しかし、スペー
スの有効利用トータルコストの点から考えると、多層階
小スペースが有利である。従って、水平方向の振動を全
周波数帯域において低減する事の出来る本発明の基礎の
有用性は明白である。

【図面の簡単な説明】

第１図…本発明の第１実施例の概略構成平面図第２図…本発明の第１実施例の概略構成正面図第３図…本発明の第２実施例の概略構成正面図第４図…本発明の第３実施例の概略構成正面図第５図…本発明の制御時の制振性能を示すグラフ第６図…本発明の非制御時の制振性能で従来例の制振性
能を示すグラフ（Ａ）……アクチュエータ（１）……基礎本体、（1a）……上部基礎（1b）……下部基礎、（２）……弾性支持体（4a）（4b）……圧力容器、（５）……オリフィス（6a）（6b）……空気ばね、（７）……圧縮空気源（８）……付加質量、（９）……振動制御弁（10）……機器、（11）……フリーアクセス床（12）……金属板、（13）……ゴム板（14）……導管、（15）……駆動回路（16）……振動センサ

フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−159824（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−62036（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−2035（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−46042（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−1748（ＪＰ，Ｕ) 特公昭55−622（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水平方向のばね常数が低く、垂直方向のば
ね常数が高い弾性支持体を下部基礎上に配設して上部基
礎を支持し、上部基礎に水平方向に揺動自在な付加質量
を配設して付加質量の水平固有振動数を上部基礎の水平
固有振動数にほぼ等しく設定し、上部基礎を振動させる
有害振動をセンシングし、これを位相反転した反転信号
にて付加質量の制御振動を有害振動に対して制御し、付
加質量の制御振動にて有害振動を相殺する事を特徴とす
る精密機器用能動制振基礎。
【請求項２】水平方向に振動可能な基礎本体に水平方向
に揺動自在な付加質量を配設して付加質量の水平固有振
動数を基礎本体の水平固有振動数にほぼ等しく設定し、
基礎本体を振動させる有害振動をセンシングし、これを
位相反転した反転信号にて付加質量の制御振動を有害振
動に対して制御し、付加質量の制御振動にて有害振動を
相殺する事を特徴とする精密機器用能動制振基礎。
【請求項３】上部基礎乃至基礎本体に設置された一対の
アクティブ制御用アクチュエータの空気ばねを付加質量
の両側に設置し且つ前記空気ばね内の圧力調整を行うア
クティブ制御用アクチュエータの圧力容器をオリフィス
にて接続し、いずれか一方の圧力容器の内圧を前記反転
信号によってコントロールされた振動制御弁によって制
御する事を特徴とする請求項１又は２に記載の精密機器
用能動制振基礎。