JP3046696B2 - 鉛直方向空気ばね式除振台の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は特に半導体製造装置の中
で使用される空気ばね式支持脚４台から成る鉛直方向空
気ばね式除振台の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気ばね式除振台上には振動を排除して
使用せねばならない機器群が搭載される。例えば、露光
用ＸＹステージなどである。適切かつ迅速な露光を行わ
せるため、この機器は外部から伝達する振動を極力除去
した除振台上に搭載されねばならない。何故ならば、露
光は露光用ＸＹステージが完全停止の状態で行われねば
ならないからである。さらに、露光用ＸＹステージはス
テップ＆リピートという間欠運転を特徴としているの
で、繰り返しのステップ振動を自身が発生しこれが除振
台の揺れを惹起することにも注意せねばならない。この
種の振動が整定しきれないで残留する場合も、露光動作
に入ることは不可能である。従って、除振台には、外部
振動に対する除振と、強制振動に対する制振とをバラン
スよく実現することが求められる。

【０００３】周知のように、空気ばね式除振台の制御装
置には除振台変位を検出しその量に応じて除振台を駆動
するという能動的フィードバック制御が導入されてい
る。図５は、空気ばね式支持脚４台を用いて除振台８を
鉛直方向に位置決め制御する従来の鉛直方向空気ばね式
除振台の制御装置の構成図であり、空気ばね式支持脚は
除振台８の４隅に配置されている。図５において、空気
ばね２ａへ動作流体の空気を給気・排気するサーボバル
ブ１ａ、支持台４ａの鉛直方向変位を計測する位置セン
サ３ａ、支持台４ａの鉛直方向加速度を計測する加速度
センサ５ａ、予圧用機械ばね６ａ、空気ばね２ａと機械
ばね及び図示していない機構全体の粘性を表現する粘性
要素７ａから成る機構は空気ばね式支持脚と呼ばれる。
図５に示すように、空気ばね式支持脚は除振台８を鉛直
方向に支持するために４台使用されるが、それらの要素
部品番号の次にａ，ｂ，ｃ，ｄの記号を付けて区別しよ
う。

【０００４】次に、空気ばね式支持脚に対するフィード
バック装置１５ａの構成とその動作を記号ａを付けた部
位を取り上げて説明する。まず、加速度センサ５ａの出
力は適切な増幅度と時定数とを有するローパスフィルタ
９ａを通ってサーボバルブ１ａの弁開閉用の電圧電流変
換器１０ａの前段に負帰還される。この加速度フィード
バックループにより機構の安定化がはかられる。すなわ
ち、ダンピングが付与される。さらに、位置センサ３ａ
の出力は変位増幅器１１ａを通って比較回路１２ａの入
力となっている。ここでは、地面に対する支持台４ａの
目標位置と等価な目標電圧１３ａと比較されて位置偏差
信号ｅ_a となる。この位置偏差信号ｅ_aはＰＩ補償器１
４ａを通って電圧電流変換器１０ａを励磁する。する
と、サーボバルブ１ａの弁開閉によって空気ばね２ａ内
の圧力が調整されて支持台４ａは所定位置に定常偏差零
で保持可能となる。ここで、Ｐは比例、Ｉは積分動作を
それぞれ意味する。他の３個の空気ばね式支持脚に対し
ても、フィードバック装置１５ａと同様の構成が採られ
る。すなわち、図５においてフィードバック装置１５
ｂ，１５ｃ，１５ｄは１５ａと同様の装置構成となる。

【０００５】さて、上述したように除振台８の上には、
振動を極力排除せねばならない機器群が搭載される。し
たがって、一般に除振台８は極めて剛に作る必要があ
る。これは除振台８とその上に搭載した機器群を含めた
装置全体重量の著しい増加を招く。また、大重量物でし
かも精密機器を搭載する装置なので、その搬出・搬入作
業は危険かつ細心の注意を必要とする。搬送用の特別な
機械が必要にもなる。さらには、大重量物の装置設置場
所を堅固と成すことも必要になってくる。具体的には、
耐床荷重の大きな建物を準備せねばならない。結局、除
振台８を剛に作らねばならないことが、それ自身のコス
トを上げるのみならず、装置の搬出・搬入あるいは設置
場所などを含めた総合コストを引き上げる結果を招来す
るのである。

【０００６】なお、特開平３−２８９１０号公報には空
気ばね式除振台に対する制御として状態フィードバック
をベースにした方式が開示されている。また、特開平３
−１８９７１０号公報にもボイスコイルモータをアクチ
ュエータとした除振装置を対象としているがやはり最適
制御理論に基づく状態フィードバックベースの制御装置
構成が開示されている。しかし、状態フィードバックは
制御対象の物理パラメータに強く依存した制御となるた
め産業用機器として実用的なものとはならないことは周
知である。

【０００７】本発明の目的は、除振台を従来に比して剛
に作る本質的必要性を排除し、剛に作らなかったことに
よって発生する柔軟な振動モードの捻り運動も剛体の振
動モードとともに効果的に抑制する、鉛直方向空気ばね
式除振台の制御装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決しようとする課題】本発明の、鉛直方向空
気ばね式除振台の制御装置は、位置センサと、加速度セ
ンサと、空気ばねと、前記空気ばねの内圧を制御するサ
ーボバルブとを有する空気ばね式支持脚が平板状除振台
の４隅に配置され、空気ばね式支持脚４台毎の独立のフ
ィードバック装置を具備して成る鉛直方向空気ばね式除
振台の制御装置において、４箇所の位置偏差信号を入力
とする演算によって並進１自由度、回転２自由度、及び
捻り１自由度の運動モードを抽出する、位置に関する４
自由度の運動モード抽出回路と、４箇所の加速度センサ
出力を入力とする演算によって並進１自由度、回転２自
由度、及び捻り１自由度の運動モードを抽出する、加速
度に関する４自由度の運動モード抽出回路と、位置に関
する４自由度の運動モード抽出回路の出力に対して適切
な補償、例えばＰＩ補償を施した補償信号出力に対して
加速度に関する４自由度の運動モード抽出回路の出力を
負帰還してなる運動モード駆動信号を入力とした演算に
よって４箇所の空気ばねへの駆動力を生成する４自由度
の運動モード分配回路とが空気ばね式支持脚４台毎の独
立のフィードバック装置内に挿入されている。

【０００９】

【作用】本発明によれば、４箇所の位置偏差信号を入力
とした演算によって、位置に関する並進１自由度と回転
２自由度という合計３個の剛体運動モードのみならず柔
軟な捻り運動モードをも抽出する。同時に、４箇所の加
速度信号を入力とした演算によって並進１自由度、回転
２自由度、及び捻り１自由度の加速度に関する運動モー
ドも抽出する。位置に関する運動モード偏差信号はＰＩ
補償器を通った後、負帰還の運動モード加速度信号と加
算されて運動モード駆動信号となり、この信号は運動モ
ード分配回路を通って４箇所の空気ばねに対して駆動力
を発生させるように構成される。従って、位置に関する
運動モード毎に最適な補償を施すことが可能となり、か
つ加速度に関しては運動モード毎に最適なダンピングが
掛けられる。空気ばね式支持脚１台毎に独立なフィード
バック装置を有する制御装置においては、他の空気ばね
式支持脚の運動が及ぼす影響のために姿勢制御が効果的
に掛けられなかったが、本発明によればそうした問題は
解決される。

【００１０】また、４台の空気ばね式支持脚によって除
振台を鉛直方向に安定に支持する調整作業は相互干渉の
ために煩雑であった。すなわち、ある空気ばね式支持脚
に対する目標電圧の調整による目標位置の設定、制御ル
ープゲイン調整、あるいはＰＩ補償器の時定数調整など
は、他の空気ばね式支持脚の運動にも相互に影響を及ぼ
すために、除振台を安定に支持する調整作業は煩雑であ
った。しかし、本発明によれば、空気ばね式支持脚の取
り付け部位という局所的な安定化作業とは異なり、除振
台の大局的運動をみた調整が可能となる。すなわち、本
発明によれば、並進運動に関する制御系のパラメータ調
整や回転運動に関する制御系のパラメータ調整などが各
々独立して実施できる。つまり、安定化の調整作業、性
能の追い込みの調整作業は随分と見通しよくなり従来に
比して簡便となる。

【００１１】さらに、従来から除振台はその上に大重量
物の機器を搭載するため剛に作られ、これは装置全体の
重量を著しく増加せしめていた。このため、装置の搬出
・搬入は不便であるし、かつ大重量物設置に耐える床工
事を必要としていた。本発明によれば、捻り運動モード
を効果的に抑制できるので除振台を剛に作る本質的必要
性はなくなる。この場合、装置全体重量を増加させるこ
とがないので、装置の搬出・搬入に苦労はなくなるし、
かつ耐荷重の大きな床を準備することもない。つまり、
総合的コスト上昇を抑えることができる。また、除振台
を如何に剛に作ろうとも、所詮は捻り運動のような柔軟
な運動モードは存在する。従って、剛に作られた従来か
らの除振台に対して本発明を適用した場合も姿勢制御は
好適に実現される。

【００１２】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１３】図１は本発明の一実施例の鉛直方向空気ば
ね式除振台の制御装置の構成図である。

【００１４】本実施例が図５の従来例と異なる点は、比
較回路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとＰＩ補償器１
４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの間に挿入され、また空
気ばね式支持脚の位置偏差信号

【００１５】

【数１】 を入力とした演算によって並進１自由度、回転２自由度
及び捻り１自由度の運動モード偏差信号

【００１６】

【数２】 を抽出する、４自由度の位置に関する運動モード抽出回
路１６と、それぞれ加速度センサ５ａ，５ｂ，５ｃ，５
ｄの次段に設けられ、オフセットと高周波ノイズ除去を
目的とした前置補償器１８ａ，１８ｂ．１８ｃ，１８ｄ
と、各空気ばね式支持脚に取り付けられた加速度センサ
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの出力

【００１７】

【数３】 を入力とした演算によって並進１自由度、回転２自由
度、及び捻り１自由度の加速度に関する運動モード信号

【００１８】

【数４】 を抽出する運動モード抽出回路１６’と、ＰＩ補償器１
４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの出力に対して運動モー
ド抽出回路１６’の出力、すなわち加速度に関する運動
モード信号と

【００１９】

【数５】 を負帰還の形で加算した

【００２０】

【数６】 を入力とした演算によって電圧電流変換器１０ａ，１０
ｂ，．１０ｃ，１０ｄを経て４箇所のアクチュエータに
駆動信号

【００２１】

【数７】 を分配する、４自由度の運動モード分配回路１７とを備
えている点である。なお、ローパスフィルタ９ａ，９
ｂ，９ｃ，９ｄは除かれている。

【００２２】ここで、上付き添字Ｔは転置を意味する。
また、位置に関する運動モード抽出回路１６と、加速度
に関する運動モード抽出回路１６’とは同一の演算を行
う。

【００２３】図２（ａ）は除振台８全体が鉛直方向に変
位する並進運動モード、図２（ｂ）は除振台８全体がｘ
軸回りに回転する回転運動モード、図２（ｃ）は除振台
８全体がｙ軸回りに回転する回転運動モードをそれぞれ
示す図である。これらの３自由度の運動は何れも除振台
８の変形を伴わない剛体運動モードである。最後に残っ
た図２（ｄ）は除振台８が柔らかであることに原因して
発生する変形を伴う捻り運動モードを示す図である。

【００２４】さて、運動モード抽出回路１６の出力であ
る運動モード偏差信号

【００２５】

【数８】 は、各々ＰＩ補償器１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに
導かれている。

【００２６】一方、図５の従来の制御装置におけるＰＩ
補償器１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに対しては各空
気ばね式支持脚の局所的な位置偏差信号

【００２７】

【数９】 が導かれている。これらの各位置偏差信号中には、除振
台８の並進、回転及び捻り運動成分が全て存在するの
で、ＰＩ補償器１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの出力
信号のなかにも様々な運動成分が含まれる。しかし、図
１に示すＰＩ補償器１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは
順番に並進、ｘ軸回りの回転、ｙ軸回りの回転、及び捻
り運動成分だけに対する補償の役割を有する。

【００２８】次に、図１においてＰＩ補償器１４ａ，１
４ｂ，１４ｃ，１４ｄの出力に対して加速度に関する運
動モード信号

【００２９】

【数１０】 を負帰還の形で加算した運動モード駆動信号

【００３０】

【数１１】 は、運動モード分配回路１７への入力となり、その出力

【００３１】

【数１２】 は、除振台８の４隅に配置された空気ばね式支持脚に駆
動力を発生させるための信号となる。すなわち、並進、
回転、及び捻り運動モードそれぞれに対する運動モード
駆動信号

【００３２】

【数１３】 を運動モード分配回路１７に通すことによって、再び除
振台８の４隅に配置された空気ばね式支持脚部位での駆
動力に変換するのである。

【００３３】なお、位置に関する運動モード抽出回路１
６の演算は（１）式に、加速度に関する運動モード抽出
回路１６’の演算は（１’）式に、運動モード分配回路
１７の演算は（２）式にそれぞれ示される。これらの演
算は、演算増幅器と抵抗を使って容易に実現できる。

【００３４】

【数１４】

【００３５】

【数１５】

【００３６】

【数１６】 最後に、図５に示す従来の鉛直方向空気ばね式除振台の
制御装置の運転性能と対比することによって、図１に示
す本発明の鉛直方向空気ばね式除振台の制御装置の優位
性を明らかにする。そこで、電圧電流変換器１０ａ〜１
０ｄの入力段に加算端子を設け、ここにステップ電圧を
印加して除振台８にとってステップ状の捻り運動となる
ような外乱を印加した。運動モード偏差信号

【００３７】

【数１７】 の収束の様子を図３に示す。図５の制御装置の場合、捻
り運動を引き起こす外乱印加に対して捻り偏差信号

【００３８】

【外１】 のみならずその他の運動モード偏差信号も有意な励振が
認められる。ところが、図１の制御装置の場合には、捻
り偏差信号

【００３９】

【外２】 以外の運動モード偏差信号の励振はほとんど零である。

【００４０】図４はステップ状の並進外乱印加に対する
運動モード偏差信号

【００４１】

【数１８】 の収束を示す。図１の制御装置の場合、印加した外乱と
同じ運動モードの並進運動偏差信号ｚ_g だけが卓越して
おり、ｘ及びｙ軸周りの運動モード偏差信号ｚθx,ｚθ
_y と捻りの運動モード偏差信号

【００４２】

【外３】 は何れも抑圧されている。一方、図５の制御装置の場合
は、全ての運動モード偏差信号が励振されているのであ
る。しかし、図５の従来の鉛直方向空気ばね式除振台の
制御装置においても空気ばね式支持脚ａ〜ｄに対するフ
ィードバック装置１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの閉
ループ特性が同一で、かつ目標電圧１３ａ，１３ｂ，１
３ｃ，１３ｄによる位置の目標値が正しく設定されてい
るならば、ステップ状の並進外乱印加に対して並進の運
動モード偏差信号ｚ_g だけが卓越し他の運動モード偏差
信号の励振は殆ど無い筈である。図４のように、図５の
制御装置の場合において全ての運動モード偏差信号が励
振されている理由は、フィードバック装置１５ａ，１５
ｂ，１５ｃ，１５ｄの閉ループ特性に差異があり、しか
も位置の目標値設定が正しくないことを示している。制
御装置の閉ループがこのような状態であるにもかかわら
ず、目標電圧１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄやＰＩ補
償器１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄなどの制御系のパ
ラメータを一切変更せずに、図１のように位置に関する
運動モード抽出回路１６と加速度に関する運動モード抽
出回路１６’と運動モード分配回路１７とを挿入して静
的にも動的にも非干渉化するだけで外乱印加の運動モー
ド以外が抑圧されている。この実験事実は本発明の制御
装置の優位性を示す証左である。

【００４３】（他の実施例）本発明では、空気ばねをア
クチュエータとした鉛直方向空気ばね式除振台の制御装
置において、剛体運動モードのみならず柔軟運動モード
までも含めた運動を静的にも動的にも非干渉化する制御
が施されている。従って、本発明は空気ばねをアクチュ
エータとする能動的除振台の制御装置に限定されるもの
ではない。例えば、ボイスコイルモータをアクチュエー
タとした能動的除振台の制御装置への適用も本発明の範
囲に属することは言うまでもない。

【００４４】また、本発明では、鉛直方向空気ばね式除
振台の制御装置を対象として動的非干渉化制御装置の構
成を開示したが、勿論水平方向除振台の制御装置へも動
的非干渉化制御は適用可能である。水平方向の並進運動
１自由度と水平面内の回転運動１自由度の合計２自由度
を制御すべき数とした場合、２入力２出力の位置に関す
る運動モード抽出回路、２入力２出力の加速度に関する
運動モード抽出回路、及び２入力２出力の運動モード分
配回路を備えることになる。

【００４５】さらには、運動モード毎のループゲイン調
整のために、次式のようなゲイン調整機構を運動モード
抽出回路１６，１６’と運動モード分配回路１７の中に
備えてもかまわない。

【００４６】

【数１９】

【００４７】

【数２０】

【００４８】

【数２１】 ただし、

【００４９】

【外４】 は運動モード偏差信号

【００５０】

【外５】 に対するゲインを、

【００５１】

【外６】 は加速度に関する運動モード信号

【００５２】

【外７】 に対するゲインを、

【００５３】

【外８】 は運動モード駆動信号

【００５４】

【外９】 に対するゲインをそれぞれ表す。従って、（３）式、
（３’）式、及び（４）式において

【００５５】

【数２２】 とおいた特別の場合がそれぞれ（１）式、（１’）式、
及び（２）式に対応することは容易に了解されよう。

【００５６】また、図１の実施例はアナログ演算回路で
制御系を構成しているが、このうちの一部もしくは全部
を電子計算機のようなディジタル演算装置で置き換えて
もよい。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、位置に
関する４自由度の運動モード抽出回路と、加速度に関す
る４自由度の運動モード抽出回路と、４自由度の運動モ
ード分配回路とをフィードバック装置に挿入することに
より、下記のような効果がある。 （１）位置に関する運動モード毎に最適な補償を施すこ
とが可能となり、かつ加速度に関しては運動モード毎に
最適なダンピングがかけられる。 （２）並進運動に関する制御系のパラメータ調整や回転
運動に関する制御系のパラメータ調整を各々独立して実
施できる。 （３）捻り運動モードを効果的に抑制できるので、除振
台を剛体に作る必要がなくなり、装置全体の重量を減ら
すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の鉛直方向空気ばね式除振台
の制御装置のブロック図である。

【図２】除振台８の運動モードを示す図である。

【図３】除振台８にステップ状の捻りを外乱として与え
たときの運動モード偏差信号の収束の様子を示す図であ
る。

【図４】除振台８にステップ状の並進を外乱として与え
たときの運動モード偏差信号の収束の様子を示す図であ
る。

【図５】鉛直方向空気ばね式除振台の制御装置の従来例
のブロック図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ サーボバルブ ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 空気ばね ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 位置センサ ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 支持台 ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 加速度センサ ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 予圧用機械ばね ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 粘性要素 ８ 除振台 ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ ローパスフィルタ １０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 電圧電流変換器 １１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 変位増幅器 １２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 比較回路 １３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 目標電圧 １４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ ＰＩ補償器 １５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ フィードバック装
置 １６，１６’ 運動モード抽出回路 １７ 運動モード分配回路 １８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ 前置補償器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 位置センサと、加速度センサと、空気ば
   ねと、前記空気ばねの内圧を制御するサーボバルブとを
   有する空気ばね式支持脚が平板状除振台の４隅に配置さ
   れた鉛直方向空気ばね式除振台の制御装置であって、前
   記空気ばね式支持脚４台毎の独立のフィードバック装置
   を有する鉛直方向空気ばね式除振台の制御装置におい
   て、 ４箇所の位置偏差信号を入力とする演算によって並進１
   自由度、回転２自由度、及び捻り１自由度の運動モード
   を抽出する、位置に関する４自由度の運動モード抽出回
   路と、 ４箇所の加速度センサ出力を入力とする演算によって並
   進１自由度、回転２自由度、及び捻り１自由度の運動モ
   ードを抽出する、加速度に関する４自由度の運動モード
   抽出回路と、 前記位置に関する４自由度の運動モード抽出回路の出力
   に対して適切な補償を施した補償信号出力に対して前記
   加速度に関する４自由度の運動モード抽出回路の出力を
   負帰還してなる運動モード駆動信号を入力とした演算に
   よって４箇所の空気ばねへの駆動力を生成する４自由度
   の運動モード分配回路とが、空気ばね式支持脚４台毎の
   前記独立のフィードバック装置に挿入されていることを
   特徴とする鉛直方向空気ばね式除振台の制御装置。