JP3681072B2 - アクティブ除振装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、電子顕微鏡、光学機器あるいは半導体製造装置などの精密機器を搭載するアクティブ除振装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子顕微鏡、光学機器あるいは半導体製造装置などの精密機器の高精度化に伴い、設置床からこれら機器に伝わる微振動をマイクロG(ミリgal)レベルで絶縁する必要が生じている。機器に伝わる微振動の絶縁を低い周波数から実現するためには、微振動の伝達経路となる除振支持機構のバネ定数および粘性係数をできるだけ小さくすればよい。しかし除振支持機構のバネ定数と機器全体の質量で決まる低周波共振が微振動により励起されて機器全体の揺れが大きくなるので、むやみにバネ定数および粘性係数を小さくできない。そのためバネ定数をできるだけ小さく設定した後、低周波共振ピークが大きくならないようダンパなどにより粘性を付与する。ところがダンパの粘性係数を大きくしていくと、低周波共振ピークは小さくなるが共振後の周波数における微振動の伝達率(床振動伝達率)が大きくなる。また、除振台上の精密機器が駆動する場合にもこの低周波共振は励起されるが、これを小さくするためにはバネ定数および粘性係数はできるだけ大きい方がよい。このように床から伝わる微振動の絶縁(除振)と精密機器の駆動で発生する振動の抑制(制振)のトレードオフを考えて、除振支持機構のバネ定数および粘性係数が決定される。
【0003】
最近では以上のようなパッシブ除振装置のトレードオフを解消するために、アクティブ除振装置が実用化されている。これは、除振台の振動をセンサで検出してフィードバック回路によりアクチュエータあるいはマスダンパを用いて振動制御を行なう能動式の除振装置であり、電気的に粘性を付与することで共振後の床振動伝達率を大きくしないで共振ピークのみを小さくすることが可能になる。これにより除振性能と制振性能がともに向上する。例えば、特開平1−210634(「能動制御精密制振台」)は除振台の振動をセンサで検出し、制御弁を介して空気バネ内の空気圧を調整することにより振動制御を行なうもので、空気バネをアクチュエータとした空気圧式アクティブ除振装置である。このようなアクティブ除振装置の制御系は一般に、除振台振動(例えば加速度)を検出し、主に電気的粘性を付加して振動を制御する振動制御ループと、除振台と床の相対変位を検出して除振台のレベル変動を制御する位置制御ループを有する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のアクティブ除振装置においては、振動制御ループのゲインを大きくすれば床振動伝達率の共振ピークを完全に潰すことができる。しかし、除振台上の精密機器の駆動に伴う大きな振動がフィードバックされるとアクチュエータ駆動力がすぐに飽和に達してしまい、振動の整定が悪化したり制御系が発振するなどの不具合を生じることがある。そのため精密機器の駆動時にも不具合を生じないよう振動制御ループのゲインを下げるが、このとき床振動伝達率も劣化させてしまう。このように、従来のアクティブ除振装置は、振動制御ループのゲインが除振よりも制振によって決定されてしまい、必ずしも充分な除振性能を発揮させることができないという問題があった。
【0005】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、振動制御ループのゲインを抑えたときでも除振性能を向上させることができるアクティブ除振装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明では、除振台を支持する支持手段と、前記除振台を駆動するアクチュエータと、前記除振台の振動を検出する振動センサと、設置床に対する前記除振台の相対変位を検出する変位センサと、前記振動センサの出力を補償して前記アクチュエータを駆動する振動制御ループと、前記変位センサの出力を補償して前記アクチュエータを駆動する位置制御ループとを具備するアクティブ除振装置において、前記振動センサの出力と前記変位センサの出力から演算によって得た前記設置床の変位もしくは速度成分の信号を補償して前記アクチュエータを駆動する第2の振動制御ループを備えたことを特徴とする。
【0007】
本発明の好ましい実施例において、前記振動センサは加速度センサであり、前記変位センサはレベルセンサである。すなわち、前記第2の振動制御ループは、前記設置床の振動によって生じる前記除振台の振動を制御する床振動制御ループである。この床振動制御ループは、前記設置床の振動が前記支持手段を介して前記除振台に及ぼす力外乱を打ち消すように前記アクチュエータを駆動する。
【0008】
【作用】
従来のアクティブ除振装置においては、精密機器の駆動に伴う大きな振動の抑制と床振動の絶縁とが同一の制御ループによりなされていた。この構成においては床振動の絶縁(除振)効果と本体振動の抑制(制振)効果を共に満足させるには限界があった。
【0009】
そこで、本発明の後述する実施例では、振動センサの出力をフィードバックする従来からの振動制御ループとは別に、振動センサの出力と設置床に対する除振台の相対変位を検出する変位センサの出力から演算によって得た設置床の変位もしくは速度成分の信号を、フィードバックする第2の振動制御ループを設けている。この第2の振動制御ループは、例えば設置床の振動によって生じる除振台の振動を制御する床振動制御ループであり、その場合、床振動制御ループ内で振動センサの出力と変位センサの出力を演算して床振動成分の検出を行ない、床振動が除振支持機構を伝達して除振台におよぼす力外乱を打ち消すようにアクチュエータを駆動する。これにより、振動制御ループのゲインを抑えたときでも、除振性能の不足分を第2の振動制御ループで補って、除振性能を向上させることができる。また、前述の演算される信号は、例えば床振動などの外部振動であり、その場合には、共振周波数より低い帯域から除振台への外部振動の伝達率を0dB以下にすることができる。
【0010】
【実施例1】
以下、本発明の実施例を説明する。
【0011】
図1は、本発明の一実施例に係るアクティブ除振装置の構成を示す。同図において、xは除振台1の絶対変位を表わし、x0 は床振動の絶対変位を表わす。精密機器2は除振台1の上に搭載されている。Mは除振台1と精密機器2の質量を表わす。fd は精密機器2の駆動によって除振台1に作用する力外乱を表わす。
【0012】
除振台1は除振支持機構5によって支持され、除振支持機構5はばね定数Kのばね3と粘性係数Cのダンパ4によって構成される。6はアクチュエータであり、Aはアクチュエータの動特性を表わす。7は振動センサであり、除振台1の加速度α(=d2 x/dt2 )を検出する。この加速度信号はフィルタ8と振動補償回路9と駆動回路10を介してアクチュエータ6に伝達され、アクチュエータ6が駆動される。11は変位センサであり、床と除振台の相対変位(x−x0 )を検出する。この相対変位信号は位置補償回路12と駆動回路10を介してアクチュエータ6に伝達され、アクチュエータ6が駆動される。13は演算回路であり、振動センサ7の出力と変位センサ11の出力から床の振動成分(ここではx0 )を検出する。14は床振動補償回路であり、駆動回路10を介して除振支持機構5を伝達して除振台に及ぼされる力外乱を打ち消すようにアクチュエータ6を駆動する。
【0013】
図2は、図1に示したアクティブ除振装置のブロック線図である。x0 は床振動変位、fd は精密機器2の駆動で除振台1に作用する力外乱、rは目標値(=0)である。Gc は位置補償回路12の伝達関数、Gffは床振動補償回路14の伝達関数である。
【0014】
床の振動成分(例えばx0 )は、振動センサ7で検出された加速度αの2階積分と変位センサ11で検出された相対変位(x−x0 )の差分により得られる。
【0015】
以下では本発明により、振動制御ループのゲインを抑えた時でも除振性能を向上させることができることを伝達関数を用いて説明する。
【0016】
簡単のために、アクチュエータ6の動特性を表わす伝達関数Aは比例要素とする。またフィルタ8は注目する効果を明確に示すために無視し、振動補償回路9はゲインKv の積分補償のみとする。
【0017】
この時、除振台1の絶対変位xは次式で表される。
【0018】
【数1】
上式においてGffは左辺第一項にしか現われないので、Gc とKv が最適設定された後、x0 からxまでの特性(床振動伝達率x/x0 )を調整して除振性能の向上を図ることができることがわかる。
【0019】
ここで、ばね3のばね定数Kとダンパ4の粘性係数Cおよびアクチュエータ6の動特性Aを予め測定しておき、Gffを以下のように選ぶ。
【0020】
【数2】
つまり除振支持機構5とアクチュエータ6の逆システムを掛けたものを選ぶ。このとき床振動伝達率x/x0 は以下の式で表される。
【0021】
【数3】
すなわち、除振支持機構5を伝達して除振台1におよぼす力外乱(Cs+K)x0 を打ち消すことができる。しかし実用上は完全な微分要素を実現できないので、Gffは以下のように時定数Tf のローパスフィルタを含む疑似微分要素となる。
【0022】
【数4】
このとき床振動伝達率x/x0 は以下の式で表される。
【0023】
【数5】
上式においても時定数Tf を小さくしていけば、除振支持機構5を伝達して除振台1におよぼす力外乱(Cs+K)x0 を打ち消せることがわかる。これにより、床振動伝達率x/x0 を小さくできるので、その分、除振性能が向上する。
【0024】
図3は数値シミュレーションによって本発明の効果を床振動伝達率x/x0 で示した図で、縦軸はゲイン(dB)、横軸は固有振動数との比を表わす無次元周波数である。
【0025】
図中の破線は、床振動制御ループのない従来のアクティブ除振装置の床振動伝達率を示す。振動制御ループと位置制御ループの補償回路は最適設定されているが、精密機器2の駆動時にも発振しないように振動制御ループのゲインは抑さえられているので、0dBを超える共振ピークが残る。一方、図中の実線は床振動制御ループを有する本発明による場合のもので、振動制御ループと位置制御ループの補償回路を最適設定した後、床振動補償回路14のローパスフィルタ時定数Tf を調整したものである。すなわち、床振動制御ループにより共振周波数前後の広い帯域で床振動伝達率x/x0 が小さくなり、除振性能を向上させることができる。
【0026】
以上説明したように本実施例では、アクティブ除振装置において振動制御ループとは別に設けた床振動制御ループにより床振動成分の検出を行ない、床振動が除振支持機構を伝達して除振台におよぼす力外乱を打ち消すようにアクチュエータを駆動する。これによって、従来方式において、振動制御ループのゲインが抑さえられている場合でも除振性能を向上させることが可能となる。また本実施例によれば、共振周波数より低い帯域から床振動伝達率を0dB以下にすることができる。これは従来方式の制御ループ構成ではいかなる調整を行なっても達成不可能な性能で、本実施例の方式によって大幅に除振性能を向上させることが可能となる。しかも、加速度センサや変位センサを新たに必要としないので経済的に実施できる。
【0027】
【実施例2】
実施例1においては垂直方向の制振および除振を行なう例を示したが、本発明は垂直方向に限らず、水平方向の制振および除振についても同様に実施可能である。すなわち除振台1を除振支持し、アクチュエータ6を水平方向に設置し、振動センサ7と変位センサ11もそれぞれ水平方向成分を検出するよう設置すればよい。
【0028】
【実施例3】
アクティブ除振装置においては、ダンパ4の粘性係数Cはできるだけ小さく設定して、振動制御ループによって電気的に粘性を与える。このためダンパ4を伝達する床振動は元々小さい。よって、ばね3を伝達する床振動による力外乱のみを打ち消すようにしても十分に性能の改善が図れる。すなわち実施例1におけるGffを以下のように選んでもよい。
【0029】
【数6】
ここでKffはゲインを表わす。Kffを0から1にしていけば、ばね3を伝達して除振台1におよぼす力外乱Kx0 を打ち消していくことができる。またこの場合Gffは比例要素となり実現もより容易になる。
【0030】
【実施例4】
上記実施例ではアクチュエータ6の動特性を表わす伝達関数Aとして、電磁モータ、ボイスコイルモータ(VCM)などの比例要素(ゲイン)を考えたが、本発明は別の特性を持つアクチュエータでも実施可能である。例えば、空気ばね、油圧、空気圧シリンダ等ではアクチュエータ6の動特性を表わす伝達関数Aを積分要素で置き換えればよい。
【0031】
次にAが積分要素となる場合について伝達関数を用いて説明する。定数や変数の定義は上記実施例と同様であるが、Aは以下のようにゲインKt の積分要素で置き換える。
【0032】
【数7】
また、振動補償回路9は積分補償器ではなく、ゲインKv のみとする。
【0033】
このとき、除振台1の絶対変位xは次式で表される。
【0034】
【数8】
ここで、ばね3のばね定数Kとダンパ4の粘性係数Cおよびアクチュエータ6の動特性Kt /sを予め測定しておき、Gffを以下のように選ぶ。
【0035】
【数9】
つまり除振支持機構5とアクチュエータ6の逆システムを掛けたものを選ぶ。このとき床振動伝達率x/x0 は以下の式で表される。
【0036】
【数10】
すなわち、除振支持機構5を伝達して除振台1におよぼす力外乱(Cs+K)x0 を打ち消すことができる。しかし実用上は完全な微分要素を実現できないので、Gffは以下のように時定数f1 ,f2 を持つ2次のローパスフィルタを含む疑似微分要素となる。
【0037】
【数11】
このとき床振動伝達率x/x0 は以下の式で表される。
【0038】
【数12】
上式においてローパスフィルタの時定数f2 を大きくしていけば、除振支持機構5を伝達して除振台1におよぼす力外乱(Cs+K)x0 を打ち消せることがわかる。これにより床振動伝達率x/x0 を小さくできるので、その分、除振性能が向上する。
【0039】
【実施例5】
また、アクチュエータ6の動特性が積分要素となる実施例4の構成でも、実施例3と同様にばね3を伝達する床振動による力外乱のみを打ち消すようにしても十分に性能の改善が図れる。すなわちGffを以下のように選ぶ。
【0040】
【数13】
Tf はローパスフィルタの時定数である。このとき床振動伝達率x/x0 は以下の式で表される。
【0041】
【数14】
上式において時定数Tf を小さくしていけば、ばね3を伝達して除振台1におよぼす力外乱Kx0 が打ち消される。すなわち、床振動制御ループにより床振動伝達率x/x0 が小さくなり、除振性能を向上させることができる。
【0042】
【実施例6】
上述の実施例1および実施例4においては、振動センサ7の出力と変位センサ11の出力から検出する床の振動成分は床振動変位x0 としたが、床の振動成分が床振動速度v(=dx/dt)であっても本発明は実施可能である。アクチュエータ6の動特性が積分要素となる実施例4の構成を用いて、これを説明する。
【0043】
図4は、振動センサ7の出力と変位センサ11の出力から床振動速度vを検出する方法を示したブロック図である。図4の方法で検出される床振動速度sx0 は、振動センサ7で検出された加速度αの1階積分と変位センサ11で検出された相対変位(x−x0 )の疑似微分との差分より得られる。15は疑似微分フィルタを表わす。これを式で示すと以下のようになる。
【0044】
【数15】
上式における時定数T1 を小さくして、注目する帯域近傍(0.1〜100Hz)で十分に床振動速度sx0 を検出できるとする。
【0045】
ここで、時定数T2 のローパスフィルタを含めて、Gffを以下のように選ぶ。
【0046】
【数16】
このとき、床振動伝達率x/x0 は以下の式で表される。
【0047】
【数17】
上式において時定数T2 を小さくしていけば、除振支持機構5を伝達して除振台1におよぼす力外乱(Cs+K)x0 を打ち消すことがわかる。これにより、床振動伝達率x/x0 を小さくできるので、その分、除振性能が向上する。
【0048】
床振動制御ループにより床振動伝達率x/x0 が小さくなり、除振性能を向上させることができる。
【0049】
【実施例7】
また、実施例6の構成でも、実施例3と同様にばね3を伝達する床振動による力外乱のみを打ち消すようにしても十分に性能の改善が図れる。すなわちGffを以下のように選ぶ。
【0050】
【数18】
ここでKffはゲインを表わす。このとき床振動伝達率x/x0 は以下の式で表される。
【0051】
【数19】
上式においてKffを0から1にしていけば、ばね3を伝達して除振台1におよぼす力外乱Ksx0 打ち消される。すなわち、床振動制御ループにより床振動伝達率x/x0 が小さくなり、除振性能を向上させることができる。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、振動制御ループのゲインが抑えられている場合でも、除振性能を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係るアクティブ除振装置の構成図である。
【図2】 図1の装置のブロック図である。
【図3】 図1の装置の効果を床振動伝達率で示した図である。
【図4】 本発明の他の実施例における床振動速度の検出方法を示した図である。
【符号の説明】
1:除振台、2:精密機器、3:ばね、4:ダンパ、5:除振支持機構、6:アクチュエータ、7:振動センサ、8:フィルタ、9:振動補償回路、10:駆動回路、11:変位センサ、12:位置補償回路、13:演算回路、14:床振動補償回路、15:疑似微分フィルタ、x:除振台1の絶対変位、x0 :床振動の絶対変位、fd :精密機器2の駆動による力外乱、M:除振台1と精密機器2の質量、K:ばね3のばね定数、C:ダンパ4の粘性係数、A:アクチュエータ6の伝達関数、Kv :振動補償回路の積分補償器ゲイン、Gff:床振動補償回路の伝達関数。
Claims (4)
- 除振台を支持する支持手段と、前記除振台を駆動するアクチュエータと、前記除振台の振動を検出する振動センサと、設置床に対する前記除振台の相対変位を検出する変位センサと、前記振動センサの出力を補償して前記アクチュエータを駆動する振動制御ループと、前記変位センサの出力を補償して前記アクチュエータを駆動する位置制御ループとを具備するアクティブ除振装置において、
前記振動センサの出力と前記変位センサの出力から演算によって得た前記設置床の変位もしくは速度成分の信号を補償して前記アクチュエータを駆動する第2の振動制御ループを備えたことを特徴とするアクティブ除振装置。 - 前記振動センサは加速度センサであり、前記変位センサはレベルセンサであ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。
- 前記第2の振動制御ループは、前記設置床の振動によって生じる前記除振台の振動を制御する床振動制御ループであることを特徴とする請求項2記載のアクティブ除振装置。
- 前記床振動制御ループは、前記設置床の振動が前記支持手段を介して前記除振台に及ぼす力外乱を打ち消すように前記アクチュエータを駆動することを特徴とする請求項3記載のアクティブ除振装置。
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