JP3825869B2 - 能動除振装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動検出手段と空気ばねやリニアモータなどのアクチュエ−タとを有し、半導体露光装置等の精密機器の支持機構として使用される能動除振装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子顕微鏡、半導体露光装置等の精密機器の高精度化に伴い、それらを搭載する精密除振装置の高性能化が求められている。特に半導体露光装置においては、適切かつ迅速な露光を行なうために、床などの装置設置基礎からの振動をはじめとする外部からの振動を極力除去した除振台が必要である。これは露光に悪影響を及ぼす振動が、露光用ステージに発生しないようにしなければならないからである。
【0003】
また、ステップ・アンド・リピートという間欠動作を特徴とする半導体露光装置では、露光用XYステージの繰り返しステップ動作が除振台の振動を励起する。XYステージの駆動反力およびXYステージの荷重移動が除振台の振動を励起してしまうのである。したがって除振台には、床などの装置設置基礎からの振動をはじめとする外部振動に対する除振性能と、除振台に搭載された機器の動作によって発生する振動に対する制振性能とをバランスよく実現することが求められる。
【0004】
ステップ・アンド・リピートにかわる方式として、スキャン露光方式を採用した半導体露光装置もあるが、この装置においても、装置設置基礎からの振動等、外部から伝達する振動を極力除去するとともに、露光用ステージのスキャン動作により励起される除振台の振動を瞬時に制振する必要がある。特にスキャン露光装置では、露光用ステージがスキャン動作をしている状態で露光を行なうため、外部振動に対する除振性能および除振台に搭載された機器の動作によって発生する振動に対する制振性能、それぞれへの要求は厳しく、一段と高性能な除振装置が不可欠なものとなっている。
【0005】
このような要求に対して、近年では、除振台の振動をセンサで検出し、その出力信号を補償して除振台に制御力を加えるアクチュエータにフィードバックすることにより能動的に除振台の振動制御を行なう、能動除振装置が実用化されている。能動除振装置は、ばね、ダンパなどで構成された受動的な除振装置では困難であった、除振性能と制振性能のバランスのとれた実現を可能にする。
【0006】
ところで、従来の能動除振装置は、除振台上に配置された振動センサと、それと最も近くに配置されたアクチュエータの組ごとに、独立に制御ループを構成して振動や位置・姿勢制御を行なうものが一般的であった。つまり除振台の各部に独立な制御ループを構成する方式がとられてきた。図8は従来の能動除振装置の構成を示す。XYステージなどの精密機器を搭載する除振台1は除振マウント2によって支持されている。通常、除振マウントは複数台を用いて除振台1を支持する。例えば除振台1が四辺形の形状であれば、除振マウントは除振台1の四隅にそれぞれ配置する。図8ではそのうちの1台の除振マウント2のみを図示している。
【0007】
除振マウント2の主要な構成要素は以下のとおりである。除振マウント2は図8では不図示の機械ばねや空気ばねなどによって除振台1を浮上支持し、除振台1を設置床の振動から絶縁している。除振台1に締結ボルト31で締結されており除振台1とともに浮上するのが浮上部32、設置床上に置かれるのがベース部33である。除振台1の鉛直方向加速度を計測するための鉛直方向加速度センサ34および除振台1の水平方向加速度を計測するための水平方向加速度センサ3は浮上部32に固定されている。そして、除振台1へ鉛直方向に駆動力を作用させる鉛直方向アクチュエ−タ21、除振台1へ水平方向に駆動力を作用させる水平方向アクチュエ−タ22はベース部33と浮上部32との間に取付けられている。これらの構成要素のほかにも、実際の除振マウント2は、粘性部材など不図示の機構を含むものである。しかし、図8は能動除振装置の構成の概念図であり、能動的に振動制御を行なうための代表的な構成要素のみを図示している。複数台の除振マウントで除振台1を支持する場合であっても、それぞれの除振マウントは、図8に示した除振マウント2と同一な構成である。
【0008】
次に、除振マウント2によって除振台1の振動を能動的に抑制するための制御系構成について説明する。能動除振装置の制御系構成としては様々なものが提案されている。最も代表的な構成は、除振台1に生じる振動の加速度を測定し、加速度の積分である速度に比例した力を除振台1に作用させることによって、除振台1にダンピングを付与するものである。図8はこのような制御系構成を示している。鉛直方向加速度センサ34の計測信号を符号反転器35で符号反転し、それに加速度補償器36を作用させた補償値を電力増幅器10へ入力する。電力増幅器10は入力信号に応じて鉛直方向アクチュエ−タ21を駆動し、除振台1へ鉛直方向駆動力を作用させる。このように鉛直方向加速度を負帰還することによって、除振台1に鉛直方向ダンピングを付与している。なお、鉛直方向アクチュエ−タ21がボイスコイルモータの場合、加速度信号を速度信号へ変換するため加速度補償器36は積分動作となり、また、鉛直方向アクチュエ−タ21が空気ばねの場合、アクチュエ−タ自身に積分特性があるので加速度補償器36は比例動作となる。水平方向についても全く同様である。水平方向加速度センサ3の計測信号を符号反転器35で符号反転し、それに加速度補償器36を作用させた補償値を電力増幅器10へ入力する。電力増幅器10は入力信号に応じて水平方向アクチュエ−タ22を駆動し、除振台1へ水平方向駆動力を作用させる。このように水平方向加速度を負帰還することによって、除振台1に水平方向ダンピングを付与している。なお、水平方向アクチュエ−タ22がボイスコイルモータの場合、加速度信号を速度信号へ変換するため加速度補償器36は積分動作となり、また、水平方向アクチュエ−タ22が空気ばねの場合、アクチュエ−タ自身に積分特性があるので加速度補償器36は比例動作となる。複数台の除振マウントで除振台1を支持する場合であっても、それぞれの除振マウントの制御系構成は、図8に示した除振マウント2の場合と同様な構成である。
【0009】
しかし、この方式で制御された能動除振装置は、除振台各部に構成された制御ループ中のパラメータと除振台の並進、回転などの各運動モードの挙動が一対一には対応しない。そのために、制御系の安定性や制御性能に留意して制御パラメータの設計および調整を見通しよく行なうことが容易ではなかった。この方式では、除振台各部に独立に構成された制御系が相互に干渉するために、制御パラメータを調整して除振装置の運動特性を任意調整し、振動制御性能を向上させることが困難であったのである。
【0010】
このような問題に対しては、例えば特願平4−299086(特開平6−181158参照)[除振台の制御装置]や特開平7−83276[鉛直方向空気ばね式除振台の制御装置]のように、除振台の並進、回転などの各運動モードごとに振動制御を行なう除振装置およびその制御方法が提案され、その有効性が確認されている。これらの装置および方法で採用された制御系は、前述した図8の制御系構成が除振マウント2が支持している部位の、言い換えれば除振台1の局所的部位の振動に着目しているのに対して、運動モード別制御は除振台1の大局的な剛体振動に着目するものである。以下に運動モード別制御の概略を説明する。
【0011】
除振台を運動モードごとに制御する能動除振装置の構成例を図9に示す。この除振装置は、加速度センサ等の振動センサ3a,3b,3cの出力から除振台1の並進、回転などの各運動モードの情報を運動モード抽出回路6で抽出し、補償演算手段7で各運動モードごとに補償演算を行なう。そして、得られた各運動モードごとの補償信号を、推力分配回路8を用いて能動除振マウント2a,2b,2c,2dに備えられた除振台1に制御力を加えるアクチュエータに分配する。能動除振マウント2a,2b,2c,2dに備えられたアクチュエータは、推力分配回路8の出力信号にもとづき、駆動回路10a,10b.10c.10dにより駆動される。
【0012】
このような能動除振装置では、従来、除振台各部の個々の制御ループごとに試行錯誤に大きく依存して行なわれていた制御パラメータの設計および調整を、除振台の運動モード、つまり、除振台全体の運動特性に着目して行なうことができる。そのために、除振装置の制御パラメータの調整、設計を容易かつ合理的に行なうことができる。
【0013】
図10には、運動モード別制御の別の構成例を示す。直方体形状に略記した除振台1の四隅を4台の除振マウント2a,2b,2c,2dが支持している。除振マウント2a,2b,2c,2dの構成はそれぞれで同一であり、要素番号に記号a,b,c,dを付記することにより4台を区別している。除振マウント2aは鉛直方向加速度センサ34a、水平方向加速度センサ3a、鉛直方向アクチュエ−タ21a、水平方向アクチュエ−タ22aから構成されている。XYZ直交座標系は除振台1の重心Gを原点として、各軸を直方体形状の除振台1の辺と平行に、またZ軸を鉛直方向に一致させて除振台1に固定されている。すると、除振台1の運動は、X軸方向並進運動x、Y軸方向並進運動y、Z軸方向並進運動z、X軸まわり回転運動θx、Y軸まわり回転運動θy、Z軸まわり回転運動θzの6自由度運動として記述することができる。6自由度の運動モードごとに加速度の負帰還を行ない除振台1へダンピングを付与するのが図10の運動モード別制御である。
【0014】
運動モード抽出装置6は鉛直方向加速度センサ34a,34b,34c,34dと水平方向加速度センサ3a,3b,3c,3dの計測信号から運動モードごとの加速度、すなわちX軸方向並進加速度Ax、Y軸方向並進加速度Ay、Z軸方向並進加速度Az、X軸まわり角加速度Aθx、Y軸まわり角加速度Aθy、Z軸まわり角加速度Aθzを演算し出力する装置である。そして、これら運動モードごとの加速度を符号反転器35で符号反転し、さらに加速度補償器36を作用させ、運動モードごとの補償値を生成する。運動モード分配装置8はこれら補償値を入力として、鉛直方向アクチュエ−タ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエ−タ22a,22b,22c,22dそれぞれへの駆動指令を生成し、電力増幅器10に入力する。運動モード分配装置8の動作は、加速度補償器36によって生成した運動モードごとの除振台1への駆動力を、鉛直方向アクチュエ−タ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエ−タ22a,22b,22c,22dそれぞれが発生する駆動力の合力として除振台1へ作用させるように、鉛直方向アクチュエ−タ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエ−タ22a,22b,22c,22dそれぞれへの駆動指令を生成することである。電力増幅器10は入力信号に応じて鉛直方向アクチュエ−タ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエ−タ22a,22b,22c,22dを駆動し、除振台1へ駆動力を作用させる。このように、運動モード別制御では運動モードごとに加速度を負帰還して除振台1へダンピングを付与し、除振台1に生じる振動を抑制している。なお、鉛直方向アクチュエ−タ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエ−タ22a,22b,22c,22dがボイスコイルモータの場合、加速度信号を速度信号へ変換するため加速度補償器36は積分動作となり、また、空気ばねの場合、アクチュエ−タ自身に積分特性があるので加速度補償器36は比例動作となる。
【0015】
ここで、除振マウント2a,2b,2c,2dの配置について述べておくと、まず鉛直方向については、鉛直方向加速度センサ34a,34b,34c,34dと鉛直方向アクチュエ−タ21a,21b,21c,21dの方向はZ軸方向に一致している。水平方向については、除振マウント2a,2cの水平方向加速度センサ3a,3cと水平方向アクチュエ−タ22a,22cの方向はX軸と一致し、除振マウント2b,2dの水平方向加速度センサ3b,3dと水平方向アクチュエ−タ22b,22dの方向はY軸と一致するように除振マウント2a,2b,2c,2dを配置している。これは、除振台1の6自由度運動モードの全てが鉛直方向加速度センサ34a,34b,34c,34d、水平方向加速度センサ3a,3b,3c,3dによって可観測とするため、また鉛直方向アクチュエ−タ21a,22b,22c,22d、水平方向アクチュエ−タ22a,22b,22c,22dによって可制御とするためであることはいうまでもない。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
ところで除振台を運動モードごとに制御する方法では、除振台の各運動モードの挙動が十分な精度で捉えられ、各運動モードの駆動指令信号に対応して各アクチュエータに正しく推力が分配されなければならない。しかしながら、実際の能動除振装置では、除振装置を除振台や被除振構造物に取付ける際の空間的、機構的制約などから、振動センサ、アクチュエータの取り付け部の剛性や除振台への除振マウントの締結剛性を十分に確保できない場合があり、除振台周辺各部で様々な局所的振動が発生することがある。
【0017】
除振台を運動モードごとに制御する方法は通常、除振台の剛体運動モード、あるいは、剛体運動モードと、比較的低周波数領域に固有振動数を有するいくつかの変形運動モードに着目して制御を行なう。しかし、振動センサ、アクチュエータ周辺や除振台自体に比較的高い周波数領域に固有振動数を有する局所的な変形運動モードの振動が存在すると、それらの振動の影響で除振台の各運動モードの振動信号を正しく抽出できなかったり、各運動モードの補償信号に対応して推力を正しく分配できないなどの状況が発生する。このような状況で、低周波数領域に固有振動数を有する剛体運動モードを主たる対象として制御を行なうと、卓越した高周波数の局所的振動が制御性能に悪影響を及ぼし、最悪の場合、スピルオーバ不安定を起こして除振台に非常に大きな振動をひきおこす危険がある。
【0018】
様々な局所的振動の運動モードの信号を抽出したり、より多くの運動モードの補償信号に対応して推力を正しく分配することができるだけの台数の振動センサ、アクチュエータを用いれば、適切な補償演算処理を施して制御を行なうことにより、上記のような危険を回避することができる。しかし、産業機器ではコストダウンの観点から、あまり多くの振動センサ、アクチュエータを用いることは現実的ではない。
【0019】
本発明は、このような課題を解決するためのもので、除振台を運動モードごとに制御する能動除振装置において、除振台各部で様々な局所的振動が発生する場合でも、安定かつ良好な振動制御動作を実現する装置を提供することを第1の課題とする。
【0025】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明に係る第1の能動除振装置は、台と、前記台に力を加える複数のアクチュエータと、前記台の振動を検出する複数の振動検出手段と、前記複数の振動検出手段の出力信号から所定周波数より低周波の成分をそれぞれ抽出する複数のローパスフィルタと、前記複数の振動検出手段の出力信号から所定周波数より高周波の成分をそれぞれ抽出する複数のハイパスフィルタと、前記複数のローパスフィルタの出力信号に基づき各運動モードの振動信号を抽出する抽出手段と、前記抽出手段の出力信号をそれぞれ補償する複数の第1の補償演算手段と、前記複数の第1の補償演算手段によって得られた補償信号に基づいて前記複数のアクチュエータに対する駆動指令信号をそれぞれ出力する分配手段と、前記複数のハイパスフィルタの出力信号をそれぞれ補償する複数の第2の補償演算手段と、前記分配手段の出力信号と前記第2の補償演算手段の出力信号とに基づいて前記複数のアクチュエータをそれぞれ駆動する複数の駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【0026】
前記複数のローパスフィルタおよび前記複数のハイパスフィルタのカットオフ周波数は、前記台のすべての剛体運動モードの固有振動数より高いことが望ましい。また、前記複数のアクチュエータは、ボイスコイルモータなどの電磁駆動リニアモータ、または、空気圧制御式アクチュエータ、または、それらの双方を併用したものを用いることができる。特に前記複数のアクチュエータが空気圧制御式アクチュエータを含む場合は、その空気圧制御式アクチュエータで防振支持機構を兼ねることができる。すなわち空気圧制御式アクチュエータ以外の防振支持機構を省略することができる。さらに、前記振動検出手段としては加速度センサを用いることができる。
【0027】
また、本発明に係る第2の能動除振装置は、台の振動を検出する複数の振動検出手段の出力に基づいて前記台の各運動モードの振動を抽出し、前記各運動モードの振動に基づいて複数のアクチュエータを駆動することにより前記台に力を加える能動除振装置であって、前記複数の振動検出手段の出力のうち所定周波数より低周波の成分に基づいて、前記各運動モードの振動を抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出された振動と、前記複数の振動検出手段の出力のうち所定周波数より高周波の成分とに基づいて、前記複数のアクチュエータをそれぞれ駆動する複数の駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【0028】
【作用】
本発明の能動除振装置は、台の振動を複数の振動検出手段で検出し、前記複数の振動検出手段の出力信号のうち所定周波数より低周波の成分に基づき前記台の並進、回転などの各運動モードの振動を抽出し、抽出された振動と前記複数の振動検出手段の出力のうち所定周波数より高周波の成分とに基づいて、前記複数のアクチュエータをそれぞれ駆動する。これにより、台を運動モードごとに制御する除振装置において、台各部で様々な局所的振動が発生する場合でも、安定かつ良好な動作を実現できる。
【0030】
また、高次共振に起因するスピルオーバ現象を回避できるため、制御系の安定性が飛躍的に向上する。
また、この場合、除振装置に高剛性を要求しない。浮上部の肉厚を剛性確保のために厚くする必要はないので、除振装置の軽量化が可能となる。また、除振装置を前記台へ締結する部位の締結剛性を高める必要はないから、除振装置の設置作業およびメンテナンス作業も簡略化される。
【0031】
さらに、この場合、加速度センサの計測信号を入力とした演算によって生成している前記台の運動モードごとの加速度は精度のよいものとなり、運動モード別制御が好適に行なわれる。浮上部など除振装置中の機構に固有振動が存在しても、運動モード別制御が崩れるような不都合は生じない。
【0032】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
実施例1
図1は、本発明の第1の実施例に係る能動除振装置の構成を示す。なお、本実施例では、水平方向に作用する除振装置を例にとって説明するが、鉛直方向に作用する能動除振装置に対して、以下に詳述する手段を適用してもよい。また、本実施例では、水平面内3自由度の運動、つまり、水平並進2自由度と鉛直軸まわり回転1自由度の制御を行なう装置を説明するが、これに残りの3自由度の剛体運動モード、つまり、鉛直並進1自由度、水平軸まわり回転2自由度の制御を行なう装置を組合わせてもよい。
【0033】
同図の能動除振装置は、半導体露光装置などの精密機器を搭載する除振台1と、それを防振支持する支持手段と除振台1に能動的な制御力を加えるアクチュエータとを備えた能動除振マウント2a,2b,2c,2d、除振台の振動を検出する振動検出手段3a,3b,3c,3d、振動検出手段3a,3b,3cの出力信号のうち予め定められた周波数より低い周波数成分を通過させるローパスフィルタ4、振動検出手段3a,3b,3c,3dの出力信号のうち予め定められた周波数より高い周波数成分を通過させるハイパスフィルタ5、ローパスフィルタ4の出力として得られる振動検出手段3a,3b,3cの出力信号のうち予め定められた周波数より低い周波数成分の信号から除振台1の並進、回転などの各運動モードの振動信号を抽出する運動モード抽出回路6、運動モード抽出回路6で抽出した除振台1の各運動モードの振動信号に適切な補償演算処理を施す第1の補償演算手段7、補償演算手段7の出力として得られた各運動モードの推力指令信号、モーメント指令信号を能動除振マウント2a,2b,2c,2dに対応させて分配演算処理する推力分配回路8、ハイパスフィルタ5の出力として得られる振動検出手段3a,3b,3c,3dの出力信号のうち予め定められた周波数より高い周波数成分の信号に適切な補償演算処理を施す第2の補償演算手段9、推力分配回路8と補償演算手段9の出力信号を加算した信号に基づいて能動除振マウント2a,2b,2c,2dに組み込まれたアクチュエータの駆動を行なう駆動回路10a,10b,10c,10dなどにより構成される。
【0034】
ローパスフィルタ4およびハイパスフィルタ5のカットオフ周波数は、除振台1のすべての剛体運動モードの固有振動数より高いものであることが望ましい。
【0035】
能動除振マウント2a,2b,2c,2dは、除振台1を防振支持するばね、ダンパ要素、除振台1に能動的な制御力を加えるアクチュエータ等を備えたものである。
【0036】
図2は、能動除振マウント2a,2b,2c,2dの構成例を示したものである。同図中に符号2を付けて示す装置が能動除振マウントである。
【0037】
能動除振マウント2(2a,2b,2c,2d)は、除振台1に鉛直方向の制御力を加える鉛直アクチュエータ21、除振台1に水平方向の制御力を加える水平アクチュエータ22、除振台1を鉛直方向に防振支持する鉛直支持手段23、除振台1を水平方向に防振支持する水平支持手段24などを備える。
【0038】
鉛直アクチュエータ21、水平アクチュエータ22には、ボイスコイルモータなどの電磁駆動のリニアモータ、空気ばねの内部圧力をそれへの空気の給排気を調整するバルブによって制御する空気圧制御式アクチュエータ、あるいはそれらを併用したものなどを用いることができる。鉛直アクチュエータ21、水平アクチュエータ22として、前記のような空気ばねを使用した空気圧制御式アクチュエータを用いる場合は、これを鉛直支持手段23、水平支持手段24と兼ねることができる。
【0039】
振動検出手段3a,3b,3c,3dには、加速度センサを用いることができる。振動検出手段3a,3b,3c,3dは、それぞれ能動除振マウント2a,2b,2c,2dに近接して配置するあるいは、内蔵することが望ましい。
【0040】
次に、図1の除振装置の動作を説明する。すなわち、能動除振マウント2a,2b,2c,2dにより防振支持された除振台1の振動を、加速度センサなどの振動検出手段3a,3b,3c,3dで検出する。そして、ローパスフィルタ4で振動検出手段3a,3b,3cの出力信号のうち予め定められた周波数より低い周波数成分を、ハイパスフィルタ5で振動検出手段3a,3b,3c,3dの出力信号のうち予め定められた周波数より高い周波数成分をそれぞれ抽出する。
【0041】
そして、運動モード抽出回路6において、ローパスフィルタ4の出力として得られる、振動検出手段3a,3b,3cの出力信号のうち予め定められた周波数より低い周波数成分の信号から、除振台1の並進、回転などの各運動モードの振動信号を抽出し、第1の補償演算手段7において運動モード抽出回路6で抽出した除振台1の各運動モードの振動信号に適切な補償演算処理を施す。補償演算手段7の出力として得られた各運動モードの推力指令信号、モーメント指令信号は、推力分配回路8で能動除振マウント2a,2b,2c,2dに対応した信号として分配演算処理される。
【0042】
一方、ハイパスフィルタ5の出力として得られる振動検出手段3a,3b,3c,3dの出力信号のうち予め定められた周波数より高い周波数成分の信号には、第2の補償演算手段9において適切に補償演算処理を施す。
【0043】
そして、能動除振マウント2a,2b,2c,2dに対応した信号として分配演算処理された推力分配回路8の出力と補償演算手段9の出力信号を加算した信号に基づき、駆動回路10a,10b,10c,10dを用いて能動除振マウント2a,2b,2c,2dに組み込まれたアクチュエータの駆動を行なう。
【0044】
なお、本実施例においては、ローパスフィルタ4は振動検出手段3a,3b,3cの出力信号に対して処理を行ない、振動検出手段3dの出力信号には処理を行なわない。これは、前述のとおり本実施例における除振装置は除振台1の水平面内3自由度の運動を制御するものであり、これら3自由度の運動モードの信号、すなわち水平並進2自由度、鉛直軸まわり回転1自由度の信号は、最低3台の振動検出手段の出力信号から抽出できるためである。もちろん、ローパスフィルタ4で振動検出手段3dの出力信号も処理し、運動モード抽出回路6は、振動検出手段3a,3b,3c,3dの出力信号のうち予め定められた周波数より低い周波数成分の信号から除振台1の各運動モードの信号を抽出するものであってもよい。
【0045】
また、振動検出手段3a,3b,3c,3dの出力信号に対して直流成分除去フィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタなどの信号処理手段を用いて補償演算の前処理を施す方法は、この種の装置を制御する際に一般的に用いられる。図1ではこのようなフィルタを省略したが、振動検出手段3a,3b,3c,3dの出力信号をこのようなフィルタで処理し、その信号を本実施例のローパスフィルタ4およびハイパスフィルタ5で処理する構成とした装置も、本発明に含まれることはいうまでもない。
【0046】
次に、運動モード抽出回路6、推力分配回路8における演算処理について説明する。
運動モード抽出回路6で行なう運動モード抽出の演算式、および推力分配回路8の演算式は、振動検出手段3a,3b,3c、能動除振マウント2a,2b,2c,2dの幾何的な配置関係などに基づいて決定される。
【0047】
例えば、振動検出手段3a,3b,3cが図3のように配置されていたとする。このとき振動検出手段の振動検出方向が同図の振動検出手段3a,3b,3cに付した矢印の向きであるとすると、それらの検出する振動信号α1 ,α2 ,α3 は、除振台1の直交する水平2方向X,Yの並進振動成分αx ,αy と、水平面に直行する鉛直軸まわりθz の回転振動成分αθとにより式(1)のように表される。ここで、座標系の原点Oと振動検出手段3a,3b,3cとの位置関係は図3に示したとおりであるとする。
【0048】
【数1】
したがって、各運動モードの振動成分の信号は式(1)の逆行列演算、
【0049】
【数2】
により、式(3)のように導出できる。
【0050】
【数3】
【0051】
なお、ここでは、振動検出手段3a,3b,3cの出力信号から、除振台1の水平面内の並進、回転の各運動モードの振動信号を抽出する演算式を示したが、同様の考え方で、鉛直並進、水平軸まわり回転の各運動モードの振動信号を抽出する演算式や、剛体6自由度の運動モードの振動信号を抽出する演算式を導出することができる。
【0052】
また、特開平7−83276「鉛直方向空気ばね式除振台の制御装置」では、4台のセンサ出力から、前述したような剛体運動モードの振動成分に加えて、装置本体の非剛体振動成分をも導出する方法が開示されているが、本実施例における装置でも同様の演算を行なってもよい。また、ここでは、座標系の原点Oと各振動検出手段の検出軸との距離は図3に示すように1であるとしたが、勿論それ以外の場合でも、同様に導出できる。
【0053】
また、推力分配回路8の演算式は、能動除振マウント2a,2b,2c,2dに組み込まれたアクチュエータの幾何的な配置関係によって決定される。
【0054】
例えば、能動除振マウント2a,2b,2c,2dが図4のように配置されていたとする。このとき、能動除振マウント2a,2b,2c,2dそれぞれに組み込まれた、除振台1に制御力を加えるアクチュエータ22a,22b,22c,22dの作用方向が同図中のアクチュエータの矢印の向きであるとすると、それぞれのアクチュエータの発生推力Fa ,Fb ,Fc ,Fd と、それらの合力が除振台1の重心Gに作用する、直交する水平2方向X,Yの推力Fx ,Fy と、鉛直軸まわりθz のモーメントMz との関係は式(4)のようになる。
【0055】
【数4】
したがって、この逆演算式、
【0056】
【数5】
によれば、水平2方向X,Yの推力Fx ,Fy と、鉛直軸まわりθz のモーメントMz の指令信号を、アクチュエータ22a,22b,22c,22d、すなわち能動除振マウント2a,2b,2c,2dに組み込まれた各アクチュエータに分配することができる。なお、ここでは、除振台1の重心Gと各アクチュエータ22a,22b,22c,22dの作用軸との距離は図4のように1であるとしたが、勿論それ以外の場合でも、同様にして演算式を導出できる。
【0057】
次に、第1の補償演算手段7、第2の補償演算手段9における演算処理について説明する。
第1の補償演算手段7においては、運動モード抽出回路6で抽出した除振台1の各運動モードの振動信号ごとに補償演算を行なう。補償演算としては、PI補償(比例・積分補償)、ゲイン補償、積分補償、またはそれらを適宜組み合わせたものなどを適用する。なお、能動除振マウント2a,2b,2c,2dの配置や除振台1の重心位置などによっては、各運動モード相互の連成が起こりうるが、そのような場合は、それら連成振動を考慮し、図5に示すような各運動モード相互に干渉項を有する補償演算を行なうことができる。図5は一例として、並進Xのモードと回転θz のモードが連成するとし、これを考慮した補償演算手段を示したものである。
【0058】
第1の補償演算手段はこのように除振台1の運動モードごとに補償演算を行なうことにより、除振台1の剛体運動モードなどの比較的低周波数領域に固有振動数を有する運動モードの振動特性の任意調整を実現する。
【0059】
第2の補償演算手段9においては、振動検出手段3a,3b,3c,3dが配置された除振台1各部の振動に着目して補償演算を行なう。補償演算としては、PI補償(比例・積分補償)、ゲイン補償、積分補償、またはそれらを適宜組み合わせたものなどを適用する。
【0060】
第2の補償演算手段は、第1の補償演算手段では捉えられない、除振台1周辺各部の比較的高周波数領域に固有振動数を有する局所的な振動モードに作用する。これにより高周波数の卓越した局所的振動を抑制し、良好な振動制御性能を実現する。
【0061】
除振台を運動モードごとに制御する除振装置において、装置剛性の不足などから除振台各部で様々な卓越した局所的振動が発生すると、制御性能に悪影響を及ぼし、最悪の場合、スピルオーバ不安定を起こして除振台に非常に大きな振動をひきおこす。
【0062】
本実施例は、以上のような装置および制御方法を適用することにより、除振台を運動モードごとに制御する除振装置において、除振台各部で様々な局所的振動が発生する場合でも、安定かつ良好な動作を実現する。
【0063】
なお、本実施例では、主に水平方向に作用する除振装置を例にとって説明したが、同様の手段を鉛直方向に作用する能動除振装置に対して適用してもよい。また、本実施例では、水平面内3自由度の運動、つまり、水平並進2自由度と鉛直軸まわり回転1自由度の制御を行なう装置を説明したが、これに残りの3自由度の剛体運動モード、つまり、鉛直並進1自由度、水平軸まわり回転2自由度の制御を行なう装置を組合わせてもよい。
【0064】
また、本実施例のように水平面内3自由度の運動の制御だけでなく、並進、回転各3自由度をあわせた6自由度の運動モードを本実施例で開示した装置と同様に制御する装置および方法も本発明に含まれることは言うまでもない。
【0065】
実施例2
次に本発明による除振装置の第2の実施例について説明する。
図6は本発明の第2の実施例に係る除振装置を示す。XYステージなどの精密機器を搭載する除振台1は除振マウント2によって支持されている。除振マウントは複数台を用いて除振台1を支持するのが通常であり、例えば除振台1が四辺形の形状であれば、除振マウントは除振台1の4隅にそれぞれ配置する。図6ではそのうちの1台の除振マウント2のみを図示している。
【0066】
除振マウント2の主要な構成要素は以下のようである。除振マウント2は不図示の機械ばねや空気ばねなどによって除振台1を浮上支持し、除振台1を設置床の振動から絶縁している。除振台1に締結ボルト31で締結されており、除振台1とともに浮上するのが浮上部32、設置床上に置かれるのがベース部33である。除振台1の鉛直方向加速度を計測するための鉛直方向加速度センサ34、除振台1の水平方向加速度を計測するための水平方向加速度センサ3は除振台1に固定されている。そして、除振台1へ鉛直方向に駆動力を作用させる鉛直方向アクチュエータ21、除振台1へ水平方向に駆動力を作用させる水平方向アクチュエータ22はベース部33と浮上部32との間に取付けられている。これらの構成要素のほかにも、実際の除振マウント2は、粘性部材など不図示の機構を含むものであるが、図6は能動除振装置の構成の概念図であり、能動的に振動制御を行なうための代表的な構成要素のみを図示している。複数台の除振装置で除振台1を支持する場合であっても、それぞれの除振装置は、図6に示した除振マウント2と同一な構成である。
【0067】
本実施例による除振マウント2の特徴は、除振台1の鉛直方向加速度を計測するための鉛直方向加速度センサ34、除振台1の水平方向加速度を計測するための水平方向加速度センサ3を、支持対象である除振台1に固定していることである。この固定場所は、除振台1において、除振マウント2により支持されている支持部位のできるだけ近くであることが好ましい。
【0068】
次に、除振マウント2によって除振台1の振動を能動的に抑制するための制御系構成について説明する。図6は除振台1に生じる振動の速度を測定し、速度に比例した力を除振台1に作用させることによって、除振台1にダンピングを付与するような制御系構成を示している。鉛直方向加速度センサ34の計測信号を符号反転器35で符号反転し、それに加速度補償器36を作用させた補償値を電力増幅器10へ入力する。電力増幅器10は入力信号に応じて鉛直方向アクチュエータ21を駆動し、除振台1へ鉛直方向駆動力を作用させる。このように鉛直方向加速度を負帰還することによって、除振台1に鉛直方向ダンピングを付与している。なお、鉛直方向アクチュエータ21がボイスコイルモータの場合、加速度信号を速度信号へ変換するため加速度補償器36は積分動作となり、また、鉛直方向アクチュエータ21が空気ばねの場合、アクチュエータ自身に積分特性があるので加速度補償器36は比例動作となる。水平方向についても全く同様である。水平方向加速度センサ3の計測信号を符号反転器35で符号反転し、それに加速度補償器36を作用させた補償値を電力増幅器10へ入力する。電力増幅器10は入力信号に応じて水平方向アクチュエータ22を駆動し、除振台1へ水平方向駆動力を作用させる。このように水平方向加速度を負帰還することによって、除振台1に水平方向ダンピングを付与している。なお、水平方向アクチュエータ22がボイスコイルモータの場合、加速度信号を速度信号へ変換するため加速度補償器36は積分動作となり、また、水平方向アクチュエータ22が空気ばねの場合、アクチュエータ自身に積分特性があるので加速度補償器36は比例動作となる。複数台の除振装置で除振台1を支持する場合であっても、それぞれの除振装置の制御系構成は、図6に示した除振マウント2の場合と同様な構成である。
【0069】
本実施例による除振マウント2では、鉛直方向加速度センサ34、水平方向加速度センサ3は支持対象である除振台1に固定されている。よって、【発明が解決しようとする課題】において述べたような浮上部32の固有振動に起因する成分は、鉛直方向加速度センサ34、水平方向加速度センサ3の計測信号中に含まれないのである。なぜなら、浮上部32は除振台1と比べて質量が桁違いに小さいのが一般的であるため、浮上部32に固有振動が生じても、質量が桁違いに大きい除振台1に振動が伝わるほどの振動エネルギがないからである。このように、鉛直方向加速度センサ34、水平方向加速度センサ3を除振台1に固定することによって支持対象である除振台1に生じている振動のみを精度よく計測することができるのである。
【0070】
本実施例によれば、加速度の負帰還ループ中から浮上部32の共振に代表される構造物の高次共振を排除することができる。よって、制御帯域を十分に上げることができ、能動除振装置の性能が十分に発揮されて、除振台1の振動抑制を良好に行なうことが可能となる。また、高次共振に起因するスピルオーバ現象を回避できるため、制御系の安定性が飛躍的に向上する。
【0071】
さらに、本実施例によれば、本質的に除振マウント2に高剛性を要求しない。浮上部32の肉厚を剛性確保のために厚くする必要はないので、除振マウント2の軽量化が可能となる。また、除振マウント2を除振台1へ締結する部位の締結剛性を高める必要はないから、除振マウント2の設置作業およびメンテナンス作業も簡略化される。このように、本実施例の能動除振装置は、装置の軽量化、メンテナンス性といった面での効果も大きい。
【0072】
実施例3
次に本発明による除振装置の第3の実施例について説明する。
図7は本発明による除振装置の第2の実施例を示す図面である。制御系構成を運動モード別制御としたものである。4台の除振マウント2a,2b,2c,2dは直方体形状に略記した除振台1の四隅を支持している。除振マウント2a,2b,2c,2dの構成はそれぞれで同一であり、要素番号に記号a,b,c,dを付記することにより4台を区別している。除振マウント2aは鉛直方向加速度センサ34a、水平方向加速度センサ3a、鉛直方向アクチュエータ21a、水平方向アクチュエータ22aから構成されている。XYZ直交座標系は除振台1の重心Gを原点として、各軸を直方体形状の除振台1の辺と平行に、またZ軸を鉛直方向に一致させて除振台1に固定されている。除振台1の運動は、X軸方向並進運動x、Y軸方向並進運動y、Z軸方向並進運動z、X軸まわり回転運動θx、Y軸まわり回転運動θy、Z軸まわり回転運動θzの6自由度運動として記述することができる。図7の運動モード別制御は、6自由度の運動モードごとに加速度の負帰還を行ない除振台1へダンピングを付与する構成である。
【0073】
運動モード抽出装置6は鉛直方向加速度センサ34a,34b,34c,34dと水平方向加速度センサ3a,3b,3c,3dの計測信号から運動モードごとの加速度、すなわちX軸方向並進加速度Ax 、Y軸方向並進加速度Ay 、Z軸方向並進加速度Az 、X軸まわり角加速度Aθx 、Y軸まわり角加速度Aθy 、Z軸まわり角加速度Aθz を演算し出力する。そして、これら運動モードごとの加速度を符号反転器35で符号反転し、さらに加速度補償器36を作用させ、運動モードごとの補償値を生成する。運動モード分配装置8はこれら補償値を入力として、鉛直方向アクチュエータ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエータ22a,22b,22c,22dそれぞれへの駆動指令を生成し、電力増幅器10に入力する。運動モード分配装置8の動作は、加速度補償器36によって生成した運動モードごとの除振台1への駆動力を、鉛直方向アクチュエータ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエータ22a,22b,22c,22dそれぞれが発生する駆動力の合力として除振台1へ作用させるように、鉛直方向アクチュエータ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエータ22a,22b,22c,22dそれぞれへの駆動指令を生成することである。電力増幅器10は入力信号に応じて鉛直方向アクチュエータ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエータ22a,22b,22c,22dを駆動し、除振台1へ駆動力を作用させる。このように、運動モードごとに加速度を負帰還して除振台1へダンピングを付与し、除振台1に生じる振動を抑制している。なお、鉛直方向アクチュエータ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエータ22a,22b,22c,22dがボイスコイルモータの場合、加速度信号を速度信号へ変換するため加速度補償器36は積分動作となり、また、空気ばねの場合、アクチュエータ自身に積分特性があるので加速度補償器36は比例動作となる。
【0074】
除振マウント2a,2b,2c,2dは次のように配置している。鉛直方向については、鉛直方向加速度センサ34a,34b,34c,34dと鉛直方向アクチュエータ21a,21b,21c,21dの方向はZ軸方向に一致している。水平方向については、除振マウント2a,2cの水平方向加速度センサ3a,3cと水平方向アクチュエータ22a,22cの方向はX軸と一致し、除振マウント2b,2dの水平方向加速度センサ3b,3dと水平方向アクチュエータ22b,22dの方向はY軸と一致するように除振マウント2a,2b,2c,2dを配置している。この配置は、除振台1の6自由度運動モードの全てが、鉛直方向加速度センサ34a,34b,34c,34d、水平方向加速度センサ3a,3b,3c,3dによって可観測であるための、また鉛直方向アクチュエータ21a,21b,21c,21d、水平方向アクチュエータ22a,22b,22c,22dによって可制御であるための配置である。勿論、この可観測性、可制御性を満たすものであれば、図7に示した以外の除振マウント2a,2b,2c,2dの配置であってもよい。
【0075】
本実施例による除振マウント2a,2b,2c,2dでは、鉛直方向加速度センサ34a,34b,34c,34d、水平方向加速度センサ3a,3b,3c,3dは支持対象である除振台1に固定されている。よって、これまでに述べてきたような浮上部32の固有振動に起因する成分は、それぞれの加速度センサの計測信号中に含まれない。支持対象である除振台1に生じている振動のみを精度よく計測することができる。すなわち、それぞれの加速度センサの計測信号を入力とした演算によって生成している除振台1の6自由度運動モードごとの加速度Ax ,Ay ,Az ,Aθx ,Aθy ,Aθz は精度のよいものとなり、運動モード別制御が好適に行なわれる。浮上部32に固有振動が存在することにより、運動モード別制御が崩れるような不都合は生じないのである。
このように、本実施例によれば、運動モード別制御を好適に実施できるという効果がある。
【0076】
なお、上述の第2および第3の実施例では除振マウント2が鉛直方向加速度センサ34、水平方向加速度センサ3、鉛直方向アクチュエータ21、水平方向アクチュエータ22を有する場合、また、直方体形状である除振台1の四隅を4台の除振マウント2a,2b,2c,2dで支持する場合を開示しているが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。加速度センサを支持対象である除振台に固定することを特徴とする除振装置であるという本発明第2局面の本質は、加速度センサとアクチュエータの方向、除振台の形状やそれを支持する除振装置の台数と配置などを問わずに、実施できるのである。
【0078】
【発明の効果】
台を運動モードごとに制御する除振装置において、台各部で様々な局所的振動が発生する場合でも、安定かつ良好な動作を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例に係る能動除振装置の構成図である。
【図2】 図1の装置における能動除振マウントの一例を表わす図である。
【図3】 図1の装置における除振台振動を検出するセンサの配置を表わす図である。
【図4】 図1の装置における能動除振マウントとそれに組み込まれたアクチュエータの配置を表す図である。
【図5】 運動モード相互に干渉項を持たせた補償器の一例を表す図である。
【図6】 本発明の第2の実施例に係る除振装置の構成を示す図である。
【図7】 本発明の第3の実施例に係る除振装置の構成を示す図である。
【図8】 第1の従来例に係る除振装置を示す図である。
【図9】 除振台を各運動モードごとに振動制御する従来の除振装置の構成例を表わす図面である。
【図10】 従来の除振装置による運動モード別制御の構成を示した図である。
【符号の説明】
1:除振台、2,2a,2b,2c,2d:能動除振マウント、3a,3b,3c,3d:振動検出手段(水平方向加速度センサ)、4:ローパスフィルタ、5:ハイパスフィルタ、6:運動モード抽出回路(運動モード抽出装置)、7:第1の補償演算手段、8:推力分配回路(運動モード分配装置)、9:第2の補償演算手段、10a,10b,10c,10d:駆動回路、21,21a,21b,21c,21d:除振台1に鉛直方向の制御力を加えるアクチュエータ(鉛直方向アクチュエータ)、22,22a,22b,22c,22d:除振台1に水平方向の制御力を加えるアクチュエータ(水平方向アクチュエータ)、23:除振台1を鉛直方向に防振支持する鉛直支持手段、24:除振台1を水平方向に防振支持する水平支持手段、31:締結ボルト、32:浮上部、33:ベース部、34,34a,34b,34c,34d:鉛直方向加速度センサ、35:符号反転器、36:加速度補償器。
Claims (6)
- 台と、前記台に力を加える複数のアクチュエータと、前記台の振動を検出する複数の振動検出手段と、前記複数の振動検出手段の出力信号から所定周波数より低周波の成分をそれぞれ抽出する複数のローパスフィルタと、前記複数の振動検出手段の出力信号から所定周波数より高周波の成分をそれぞれ抽出する複数のハイパスフィルタと、前記複数のローパスフィルタの出力信号に基づき各運動モードの振動信号を抽出する抽出手段と、前記抽出手段の出力信号をそれぞれ補償する複数の第1の補償演算手段と、前記複数の第1の補償演算手段によって得られた補償信号に基づいて前記複数のアクチュエータに対する駆動指令信号をそれぞれ出力する分配手段と、前記複数のハイパスフィルタの出力信号をそれぞれ補償する複数の第2の補償演算手段と、前記分配手段の出力信号と前記第2の補償演算手段の出力信号とに基づいて前記複数のアクチュエータをそれぞれ駆動する複数の駆動手段とを備えたことを特徴とする能動除振装置。
- 前記複数のローパスフィルタおよび前記複数のハイパスフィルタのカットオフ周波数が、前記台のすべての剛体運動モードの固有振動数より高いことを特徴とする請求項1に記載の能動除振装置。
- 前記複数のアクチュエータは、空気圧制御式アクチュエータおよび電磁駆動リニアモータの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の能動除振装置。
- 前記複数のアクチュエータが空気圧制御式アクチュエータを含み、かつ前記空気圧制御式アクチュエータが前記台の防振支持機構を兼ねることを特徴とする請求項1または2に記載の能動除振装置。
- 前記複数の振動検出手段は加速度センサを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の能動除振装置。
- 台の振動を検出する複数の振動検出手段の出力に基づいて前記台の各運動モードの振動を抽出し、前記各運動モードの振動に基づいて複数のアクチュエータを駆動することにより前記台に力を加える能動除振装置であって、
前記複数の振動検出手段の出力のうち所定周波数より低周波の成分に基づいて、前記各運動モードの振動を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出された振動と、前記複数の振動検出手段の出力のうち所定周波数より高周波の成分とに基づいて、前記複数のアクチュエータをそれぞれ駆動する複数の駆動手段と
を備えたことを特徴とする能動除振装置。
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