JP4970904B2 - アクティブ除振装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動を嫌う精密装置等を気体ばね等のばね要素によって支持し、床振動から概ね絶縁するようにした除振装置に関し、特に、アクチュエータの制御によって除振対象物の振動を減殺する制御力を発生させるようにしたアクティブタイプのものに係る。

従来より、例えば半導体や液晶パネル関連の製造装置のように振動の影響を受けやすい装置は、床からの振動の伝達をできるだけ抑えるために気体ばね等によって弾性的に支持するようにしているが、こうすると、装置の作動に伴い発生する揺れが大きくなりやすく、整定までの時間は長くなる傾向がある。

この点につき、気体ばねの内圧を制御して、除振対象である装置の揺れ（振動）を抑えるような制御力を発生させる、というアクティブ制振の技術は既に知られており（例えば特許文献１を参照）、通常は装置側に設けた加速度センサや変位センサからの信号に基づいて気体ばねの内圧を制御する所謂フィードバック制御が行われる。

また、除振対象の装置において例えばステージの移動のように同じ動作が繰り返され、そのタイミングを予知できる場合には、前記のようなフィードバック制御に加えてフィードフォワード制御を行うことが有効であり、前記特許文献１のものでは過去のフィードバック制御の結果を学習して、フィードフォワード信号を生成するようにしている。

さらに、特許文献２に記載の除振装置では、センサによりリアルタイムで検出したステージの移動状態に応じて、この移動に伴い発生する装置の揺れを打ち消すように気体ばねの内圧を制御するようにしており、こうすれば、前記特許文献１のもののように同じ動作が繰り返される場合に限らず、フィードフォワード制御を行うことができる。
特許第３５３４４４０号公報 特開２００５−２４０３５号公報

しかしながら、一般に気体ばねの応答遅れは大きいため、前記後者のもののようにリアルタイムで検出したステージの移動状態に応じて、気体ばねの内圧を制御するようにした場合、これによる制御力の発生が間に合わず、ステージの移動による揺れは充分に抑制できないのが実状である。

この点、気体ばねとは別に例えばリニアモータのような高応答のアクチュエータを設けて、これにより制御力を発生させるようにすれば、揺れの抑制効果は高くなるが、それでも制御系の時間遅れがなくなるわけではない。

斯かる点に鑑みて本発明の目的は、同じ動作が繰り返される場合でなくてもフィードフォワード信号を生成し、これに基づいて気体ばね等のアクチュエータを制御することにより、揺れの発生に間に合うように制御力を発生させる除振装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明では、除振対象物における移動物の制御情報に基づいて予めその位置等を推定し、これに基づいて制御信号を生成するとともに、この信号に基づくアクチュエータの制御を時間遅れの分、早いタイミングで実行するようにしたものである。

具体的に請求項１の発明では、除振対象物を複数のばね要素により支持するとともに、その振動状態を検出するための振動センサを備え、該振動センサからの信号に応じてアクチュエータを制御することにより、前記除振対象物に対しその振動を打ち消すような制御力を付与するようにしたアクティブ除振装置を対象とする。

そして、前記除振対象物における移動物の制御を行う移動物制御手段と、該移動物制御手段による移動物の制御に係る情報に基づいて、その移動物の移動軌跡上における位置を少なくとも推定する移動状態推定手段と、該移動状態推定手段により推定された移動物の位置に基づいて、その移動による各ばね要素への荷重配分の変化に見合う制御力を発生するようにアクチュエータを制御するフィードフォワード制御手段と、を備え、そのフィードフォワード制御手段は、アクチュエータの制御を、当該アクチュエータの応答遅れを含めた制御系における時間遅れの分、前記移動物制御手段による移動物の制御よりも早いタイミングで実行するものとした。

前記の構成により、例えば半導体製造装置のような除振対象物において移動物であるステージやアーム等が移動物制御手段により制御されて移動するときに、この移動物の制御情報に基づいて、その移動状態、即ち少なくとも移動軌跡上での位置が移動状態推定手段により推定される。こうして推定された位置に基づいて、移動物の移動による各ばね要素への荷重配分の変化が求められるので、これに見合う制御力を発生するようにアクチュエータを制御することで、除振対象物の揺れを抑制することができる。

そして、そのようなアクチュエータの制御は、その時間遅れを考慮して、その分、移動物制御手段による移動物の制御よりも早いタイミングで行われるので、この移動物の移動によって揺れが生じるのに間に合うように除振対象物に制御力を付与することができる。このことは、ばね要素として気体ばねを用い、この気体ばねをアクチュエータとして利用する場合に、特に有効なものである（請求項２）。

つまり、除振対象物における移動物の制御情報に基づいて、それが実際に移動する前に位置等を推定して、適切なフィードフォワード制御を行うことができ、気体ばねのような応答遅れの大きなアクチュエータを用いていても、除振対象物が揺れようとするときに遅れなく制御力を付与して、揺れを充分に抑制することができる。

好ましくは、前記移動状態推定手段を、移動物の制御情報に基づいてその加速度も推定するものとし、フィードフォワード制御手段は、推定された移動物の加速度に基づいて、その移動の反力を受け止めるようにアクチュエータを制御するものとする（請求項３）。こうすれば、移動物を移動させる際の反力によって発生する揺れも、前記の移動による揺れと同様に充分に抑制することができる。

ところで、そうして制御情報に基づいて移動物の位置や加速度を推定し、これに基づいて揺れを抑える場合には、その推定の精度が非常に重要であり、推定の誤差が大きいと、アクチュエータによる制御力の発生と揺れの発生との時間的なずれが大きくなってしまい、充分な効果は得られない。

そこで、前記のような制御を行う場合には、除振対象物において移動物を略一定の大きさの加速度で加速乃至減速させて移動させることが望ましい（請求項４）。こうすれば、移動物を加速乃至減速させるときには略一定の力を加えればよく、複雑なシステムを用いなくても位置や加速度の制御性が高くなるので、結果として位置等の推定精度が非常に高くなるからである。

尚、略一定の大きさの加速度で移動させるというのは、除振対象物において移動物に生じる加速度が常に一定であることを意味するのではなく、移動中に速度が変化する際、即ち加速又は減速の際に途中で加速度が変化しない、という意味である。

さらに、前記のようなアクティブ除振装置において、除振対象物における移動物の位置を検出するための位置センサを設け、このセンサからの信号に基づいて検出した移動物の位置と移動状態推定手段により推定した移動物の位置との偏差（推定誤差）を学習して、フィードフォワード制御手段によるアクチュエータ制御のタイミングを補正することが好ましい（請求項５）。

こうすれば、移動物の位置等の推定に含まれる誤差を学習して、アクチュエータの制御のタイミングを補正することで、制御力の発生と揺れの発生との時間的なずれを小さくすることができる。

特に、移動物の加速度を略一定とするようにした場合、その位置等の推定の誤差は、主に移動物の制御における加減速の開始又は終了時期のずれによって生じると考えられるので、アクチュエータ制御のタイミングを補正することで、制御力の発生と揺れの発生との時間的なずれを略解消することができる。

より好ましいのは、前記学習補正手段を、振動センサからの信号に基づいて検出される除振対象物の振動状態を学習して、フィードフォワード制御手段によるアクチュエータの制御量を補正するように構成することであり（請求項６）、こうすれば、制御力の大きさも最適化して、揺れの抑制効果を一層、高めることができる。尚、前記アクチュエータの制御量というのは当該アクチュエータに対する制御のための出力量（操作量ともいう）を意味し、以下、この明細書中で同様とする。

以上より、本発明に係るアクティブ除振装置によると、除振対象物における移動物の制御情報に基づいて予めその位置等を推定し、この推定結果に基づくアクチュエータの制御を時間遅れの分、早いタイミングで実行することで、気体ばねのように応答遅れの大きなアクチュエータを用いる場合でも、移動物の移動による揺れの発生に間に合うよう除振対象物に制御力を付与して、揺れを充分に抑制することができる。

特に移動物を略一定の大きさの加速度で移動させるようにすれば、その位置等の制御性が高くなる結果として、制御情報に基づく位置等の推定精度が非常に高くなり、前記の効果が充分に得られる。

その上さらに、位置等の推定結果を実測値に基づいて学習補正するようにすれば、制御力の発生と揺れの発生との時間的なずれをなくすことができ、また、揺れの収まり具合に基づいて制御量を学習補正するようにすれば、制御力を最適化することができ、前記の効果をより高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１には、本発明の実施形態に係る除振台Ａ（アクティブ除振装置）の全体構成を模式的に示す。この除振台Ａは、例えば半導体関連の製造装置等のように振動の影響を受けやすい精密な装置Ｄを定盤１の上に搭載して、それらを床振動からできるだけ絶縁した状態とするために、複数の（通常は４個であるが、３個以上であればよい）空気ばねユニット２，２，…によって弾性的に支持したものである。図の例では、装置Ｄの本体３上に、例えばボールねじ機構によって水平方向（ｘ−ｙ方向）に移動されるステージ４（移動物）が配設される一方、その移動を制御するステージコントローラ５が装置本体３とは別体で設けられている。

前記空気ばねユニット２，２，…は、それぞれ、図示の如く上下方向の荷重を支持する空気ばねによって構成されていて、床面等に配置され上端が開口するケース２０と、その上端開口にダイヤフラム２１を介して気密状に内挿されて、ケース２０内に空気室を区画するピストン２２とを備えている。こうして空気ばねを用いて荷重を支持することから、除振台Ａは基本的に優れた除振性能を有するものであるが、さらに、この実施形態では、空気ばねの内圧を制御して、定盤１やその上の搭載装置Ｄに対し振動を減殺するような制御力を付与するようにしている。

そのために、各空気ばねユニット２には、その支持位置の近傍における定盤１の加速度とその変位とをそれぞれ検出するための加速度センサ３１及び変位センサ３２が付設されている。また、ケース２０の下部における加速度（床振動）を検出するための加速度センサ３３も設けられており、それら各センサ３１〜３３からの出力信号がそれぞれコントローラ３０に入力されるようになっている。さらに図の例では搭載装置Ｄにおけるステージ４の位置を検出するためのセンサ３４も設けられており、このステージ位置センサ３４からの出力信号（実測位置）もコントローラ３０に入力される。

また、各空気ばねユニット２には、図外の空気圧源から圧縮空気を供給するための配管が接続され、この配管に介設されたサーボ弁２４により空気ばねへの圧縮空気の供給量及び排出量を調整することができる。そして、前記のようにセンサ３１〜３４から入力される信号等に基づいて、コントローラ３０によりサーボ弁２４の制御を行い、これにより圧縮空気の供給乃至排気流量を調整することで、空気ばねの内圧を調整して、後述の如く搭載装置Ｄの振動を抑えるようにしている。

尚、図１では右側の空気ばねユニット２のみに、その制御系である上下方向の加速度センサ３１，３３や変位センサ３２、並びに配管、サーボ弁２４等を示しているが、同様の制御系は各空気ばねユニット２毎に付設されている。

また、図示しないが、同様の空気ばねユニットを定盤１の周囲に水平方向の制御力を発生するためのアクチュエータとして設けたり、或いは、前記空気ばねユニット２，２…において複数の空気ばねを水平方向のアクチュエータとして設けたりして、その内圧を制御することにより、搭載装置Ｄの水平方向の振動も抑制することができる。

−空気ばねの内圧の制御−
次に、コントローラ３０により行われる空気ばねの内圧の制御について具体的に説明する。ここでも便宜上、上下方向の空気ばねの制御についてのみ説明するが、水平方向にも空気ばねを設けた場合、これについても同様の制御が行われる。

図２に示すように、サーボ弁２４への入力は、主に、加速度センサ３１からの信号に基づいて除振フィードバック制御部３０ａにより演算される除振フィードバック制御量と、変位センサ３２からの出力に基づいて制振フィードバック制御部３０ｂにより演算される制振フィードバック制御量と、加速度センサ３３からの信号に基づいて除振フィードフォワード制御部３０ｃにより演算される除振フィードフォワード制御量と、からなる。

前記除振フィードバック制御部３０ａは、加速度センサ３１の検出値、即ち定盤１の上下方向加速度に基づいて、その振動を減殺するような制御力を空気ばねにより発生させるものであり、例えば、加速度の検出値、その微分値及び積分値にそれぞれフィードバックゲインを乗算し、それらを足し合わせた後に反転して、サーボ弁２４への制御入力とすればよい。

また、制振フィードバック制御部３０ｂは、変位センサ３２の検出値、即ち定盤１の高さの変化に基づいて、これが小さくなるように空気ばねの内圧を制御することにより、該定盤１の傾きやこれにより発生する揺れを抑えるものであり、例えば、変位の検出値を目標値（零）から減算した後にＰＩＤ制御則に従って、サーボ弁２４への制御入力を求めるようにすればよい。

さらに、除振フィードフォワード制御部３０ｃは、加速度センサ３３による検出値、即ち床の振動状態に基づいて、そこから除振対象物へ伝わる振動を打ち消すような逆位相の振動を発生させるためのものであり、例えばデジタルフィルタを用いてサーボ弁２４への制御入力を求めることができる。このデジタルフィルタの特性は、床振動が空気ばねユニット２を介して定盤１に伝わる際の伝達関数Ｈ(s)と、該空気ばねユニット２によって構成される補償系の伝達関数Ｋ(s)とを用いて、−Ｈ(s)・Ｋ(s)^−１として表される。

そして、前記のような制御入力を受けてサーボ弁２４が作動し、空気ばねユニット２の内圧が制御されることで、除振対象物である定盤１及び搭載装置Ｄに適切な制御力が付与されることになる。すなわち、床から伝わる振動については、除振フィードフォワード制御によって振動の伝達を抑えつつ、それでも伝達される微小な振動は除振フィードバック制御によって減殺することで、非常に高い除振性能が得られる。

一方で、搭載装置Ｄの作動によって発生する比較的大きな振動（揺れ）については、前記の除振フィードバック制御に加えて制振フィードバック制御により定盤１の揺れが減殺されることになるが、フィードバック制御は変位や振動が実際に生じた後に行われることから、その効果は限定的なものにならざるを得ない。特に、前記のように空気ばねを用いて制御力を発生させるようにした場合は、その応答遅れが大きいことから充分な効果は期待できない。

そこで、この実施形態では、本発明の特徴部分として、ステージ４の制御に係る情報に基づいて予めその移動軌跡上における位置等を推定し、これに基づいて制御量（制振フィードフォワード制御量）を演算するとともに、これによる制御信号を空気ばねの制御の時間遅れの分、早いタイミングでサーボ弁２４に入力するようにしている。

すなわち、コントローラ３０には、図２に示すように、ステージコントローラ５から供給されるステージ制御情報に基づいて、ステージ４の位置及び加速度を推定演算する位置・加速度生成部３０ｄ（移動状態推定手段）と、そうして演算された位置及び加速度に基づいて、ステージ４の移動に伴う空気ばねユニット２，２，…への荷重配分の変化に見合うように、また、移動の反力を受け止めるように、空気ばねの内圧を制御する制振フィードフォワード制御部３０ｅ（フィードフォワード制御手段）と、を備えている。

そして、前記制振フィードフォワード制御部３０ｅは、ステージ４の制御に先立ってステージコントローラ５から送られるタイミング信号を受けて、前記のように位置及び加速度の推定値に基づいて求めた制振フィードフォワード制御量の信号を、ステージ４の移動制御よりも早いタイミングでサーボ弁２４へ入力する。

−制振フィードフォワード制御量の求め方−
以下、ステージ４を所謂Ｓ字加減速パターン（図４を参照）で移動させる場合について、コントローラ３０の制振フィードフォワード制御部３０ｅによる制御量の演算の仕方を具体的に説明する。尚、Ｓ字加減速というのは、例えば停止状態から一定の大きさの加速度で加速し、目標の移動距離（又は移動時間）の半分で減速に切り替えた後に、今度は一定の減速度（負の減速度）で減速して、停止させるというものである。

そうして加速乃至減速するときの加速度（負値を含む）の大きさが一定で滑らかな移動状態になることから、Ｓ字加減速は空気ばねのような揺れやすい除振機構を用いた装置に適している。また、Ｓ字加減速は、加速時及び減速時にそれぞれ加速度の大きさが略一定であることから、加減速時にステージ４に加える力はそれぞれ略一定でよく、複雑なシステムを用いなくてもその位置や加速度の制御性は高い。

説明の便宜のために、ステージ４が図１に矢印で示すようにｘ軸上を直線運動する場合について考えると、まず、ステージ４の基準位置からの移動距離Δｘ（変位）は、その加速度ａ及び移動時間ｔを用いて、 Δｘ ＝ ａ・ｔ^２／２ と表される。こうしてステージ４が移動すると、除振対象物である定盤１及び搭載装置Ｄ全体の重心位置がｘ軸方向に変化し、空気ばねユニット２，２，…への静的な荷重の配分が変化する。このことは、ステージ４の質量をｍ、重力加速度をｇとして、除振対象物の重心を通るｙ軸の周りに図の時計回りの向き（θ方向）に回転力 Ｎ1 ＝ ｍ・ｇ・Δｘ が発生する、ということでもある。

そこで、空気ばねの内圧を制御して、前記回転力Ｎ1と同じ大きさで反対向き（−θ）の回転力を発生させれば、ステージ４の移動による空気ばねユニット２，２，…への荷重配分の変化に見合うように、それらの空気ばねの内圧を制御して、除振対象物である定盤１及び搭載装置Ｄの傾き（変位）を抑制し、これに伴う揺れを抑えることができる。図の例では右側の空気ばねの内圧を高める一方、左側では内圧を低下させることになるが、実際には個々の空気ばねにおける内圧の制御量は、それらの配置（除振対象物の重心を基準とする位置）に応じて幾何学的に特定される。

また、前記のようにステージ４に一定の加速度ａが発生しているときには、このステージ４の移動の反力 Ｆ＝−ｍ・ａ が装置本体３に作用している。この反力Ｆの作用線は略水平であって除振対象物の重心を通っていないので、この作用線と重心との上下方向の距離をｈとすれば、ｙ軸周りには回転力 Ｎ2＝−ｈ・ｍ・ａ が発生することになる。

そのように反力Ｆによって生じる回転力Ｎ2を受け止めるには、前記回転力Ｎ1に対するのと同様に上下方向の空気ばねの内圧を制御して、回転力Ｎ2と同じ大きさで反対向きの回転力を発生させればよい。ここで回転力Ｎ2の向きは回転力Ｎ1とは反対向き（−θ）になっているから、一般に空気ばねユニット２（サーボ弁２４）への制御入力Ｕとそれが発生する力Ｆaとの間に以下の式（１）の関係があることを考慮すれば、制御量Ｕ_θは以下の式（２）で表される。

また、水平方向にも空気ばねを設けている場合は、これにより前記ステージ４の移動反力Ｆと同じ大きさで反対向き（−ｘ方向）の力を発生させることが望ましく、水平方向の空気ばねに対する制御量Ｕ_ｘは、式（３）で表される。尚、式（１）〜（３）においてＫv，Ｔv，Ａmはそれぞれサーボ弁２４のゲイン、時定数、空気ばねの受圧面積を表している。また、制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘは、前記のように個々の空気ばねの配置に応じて求められる所定の変換式により、それら個々の空気ばねへの制御量へ変換される。

−アクティブ除振装置の作動−
そして、この実施形態では、前記のように求めた制振フィードフォワード制御量に基づく空気ばねの内圧の制御を、前記したように、空気ばねの応答遅れを含めた制御系の時間遅れの分、ステージ４の移動制御よりも早いタイミングで実行するようにしている。

すなわち、搭載機器Ｄにおいてステージ４の移動制御が行われるときには、まず、その制御の情報を含んだ信号がステージコントローラ５から出力され、コントローラ３０に入力される。これを受けたコントローラ３０の位置・加速度生成部３０ｄではステージ４の位置及び加速度を推定演算して制振フィードフォワード制御部３０ｅに送り、これを受けた制振フィードフォワード制御部３０ｅにおいて、前記したように空気ばねの内圧を制御するための制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘが求められる。

そして、前記ステージ４の移動制御に先立ってステージコントローラ５からタイミング信号が出力されると、これを受けたコントローラ３０の制振フィードフォワード制御部３０ｅは、前記のように求めた制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘを、空気ばねの制御における時間遅れの分、ステージ４の制御よりも早いタイミングでサーボ弁２４へ出力する。ここで、タイミング信号は、ステージ４の移動制御に対し充分に早いタイミングで出力されるので、これを受けてから所定の補償時間Δｔを経過した後にサーボ弁２４へ制御信号を出力すれば、空気ばねの内圧の制御を、ちょうど制御系の時間遅れの分だけステージ４の制御よりも早いタイミングで実行することができる。

よって、空気ばねのように応答遅れの大きなアクチュエータを用いていても、ステージ４の移動によって搭載装置Ｄが揺れようとするときに、遅れなく該搭載装置Ｄに制御力を付与して、その揺れを充分に抑制することができる。そして、それでも発生する僅かな揺れは、除振フィードバック制御部３０ａ及び制振フィードバック制御部３０ｂによる加速度及び変位のフィードバック制御によって減殺されることになる。

尚、前記補償時間Δｔは予め実験により求めておく。すなわち、空気ばねの内圧を制御するための制御量としてステップ信号を入力し、これに対する応答から制御系の時間遅れを求めて、この時間遅れの分、制振フィードフォワード制御部３０ｅによる空気ばねの内圧の制御がステージ４の実際の移動よりも早くなるように、補償時間Δｔを決定する。

図３は、前記のような揺れの抑制効果を示すイメージ図であり、同図(a)に示すようにステージ４がＳ字加減速パターンで移動するときに、定盤１に生じる上下方向の変位（揺れ）は同図(b)に示すようになる。図に仮想線（二点差線）のグラフａで示すのは、前記制振フィードフォワード制御部３０ｅによる制御を行わない場合であり、フィードバック制御のみでは揺れの抑制が不充分であることが分かる。

また、破線のグラフｂは、従来例（特許文献２）のようにステージ位置センサ３４によってリアルタイムで検出したステージ４の移動状態に応じて、空気ばねの内圧を制御するようにした場合であり、フィードバック制御のみの場合に比べて揺れが小さくなるとともに、それが収束するまでの時間も短くなる。そして、この実施形態の制振フィードフォワード制御部３０ｅによるフィードフォワード制御を行えば、実線のグラフｃで示すように揺れは殆ど生じなくなり、制振効果は極めて高い。

−学習補正−
ところで、前記のように制御情報に基づいて予めステージ４の位置や加速度を推定し、これに基づいて揺れを抑えるためのフィードフォワード制御を行う場合には、その推定の精度が非常に重要であり、推定の誤差が大きいと充分な効果は得られない。

この点、この実施形態のようにステージ４をＳ字加減速パターンで移動させるようにすれば、加速時や減速時にそれぞれステージ４に加える力が略一定であり、複雑なシステムを用いなくてもその位置や加速度の制御性が高くなるため、結果として位置等の推定値は実際のものと高い精度で一致することになるが、それでも、例えばステージ４が停止状態から移動し始めるときには、機械的な抵抗のばらつき等によって遅れや進みを生じることがある。この場合には、例えば図４に実線で示すように、ステージ４の実際の位置がその制御目標値、即ち推定値（図に破線で示す）から一定時間分、ずれることになり、その分、空気ばねによる制御力に誤差が生じる。

そこで、この実施形態では、ステージ位置センサ３４により実際のステージ４の位置を検出し、この位置（実測位置）と推定位置との偏差、即ち推定誤差を学習して、空気ばねの制御のタイミングを補正するようにしている。すなわち、図２に示すようにステージ位置センサ３４からの信号は、コントローラ３０の制振フィードフォワード制御部３０ｅに入力され、ここにおいて実測位置が位置・加速度生成部３０ｄによるステージ位置の推定結果と比較されて、以下のように補償時間Δｔが補正される。

例えば実測位置が推定位置よりも遅れ側にずれている場合、図４に示すようにステージ４の実際の位置は推定値に対し一定時間分、遅れ側にずれていると考えられるから、その分、補償時間Δｔを長くして、空気ばねの内圧制御のタイミングを遅らせればよく、反対に実測位置が推定位置よりも進み側にずれていれば、その分、補償時間Δｔを短くして、空気ばねの内圧制御のタイミングを早めればよい。

具体的には、或る時点における実測位置と推定位置とが異なる場合、位置が同じになる時点との時間差に基づいて、補償時間Δｔを補正するようにすればよい。こうしてステージ４の位置の誤差に基づいて空気ばねの制御のタイミングを補正することで、揺れに対応する適切な制御力を時間的なずれなく、発生させることができ、これにより前記した制振フィードフォワード制御の効果を充分に得ることができる。

特に、この実施形態のようにステージ４を略一定の大きさの加速度で移動させるようにした場合、位置等の推定誤差は、前記したようにステージ４の制御における加減速の開始又は終了のタイミングのずれによって生じると考えられるから、前記のように空気ばねの制御のタイミングを補正するだけで、ステージ４の加速開始から停止までに亘って空気ばねにより適切な制御力を発生させることができる。

尚、実際の装置Ｄではステージ４上にワークが搭載されており、上述した制振フィードバック制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘの計算（式（２）、（３））においてステージ４の質量ｍにはワークの分も含まれることになるが、このワークの質量のばらつきが大きいと、そのばらつきの分だけ制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘが不正確になってしまう。

そこで、制振フィードフォワード制御を行った結果の除振対象物の揺れの収まり具合を加速度センサ３１や変位センサ３２からの信号に基づいて定量的に判定し、これに応じて制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘを補正するのが好ましい。すなわち、制御が行き過ぎであれば制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘに予め設定した補正係数（１よりも小さな値）を乗算する一方、制御に不足があれば制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘに別の補正係数（１よりも大きな値）を乗算し、この操作を繰り返して制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘを適切な範囲内に収束させるものである。

したがって、この実施形態に係るアクティブ除振台Ａによると、まず、定盤１とその上に搭載した装置Ｄの荷重を空気ばねユニット２，２，…によって支持するとともに、加速度センサ３１，３３からの信号に基づいて、コントローラ３０の除振フィードバック制御部３０ａ及び除振フィードフォワード制御部３０ｃにより空気ばねの内圧を制御することで、床振動の伝達による搭載装置Ｄの振動を殆ど完全に抑えることができる。

また、搭載装置Ｄの作動に伴い発生する傾きや揺れについては、制振フィードフォワード制御部３０ｅにより例えばステージ４の制御情報に基づいて、それが実際に移動する前に位置等を推定し、これに基づいて制振フィードフォワード制御部３０ｅにより空気ばねの内圧を制御することで、搭載装置Ｄに傾きやこれによる揺れが発生することを抑制でき、それでも発生する僅かな揺れはフィードバック制御によって減殺することができる。

しかも、前記の制振フィードフォワード制御は、空気ばねの応答遅れを含めた制御系の時間遅れの分、ステージ４の制御よりも早いタイミングで行うようにしており、このことで、空気ばねのように応答遅れの大きなアクチュエータを用いていても、ステージ４の移動によって搭載装置Ｄに傾きや揺れが生じるのに遅れなく制御力を付与して、その傾きや揺れを充分に抑制することができる。

特にこの実施形態では、ステージ４を加速及び減速のそれぞれにおいて略一定の力で移動させるようにしており、その制御性が高くなる結果として、位置等の推定精度が非常に高くなる上に、その位置等の推定誤差を学習して、空気ばねの制御のタイミングを補正するようにしているから、こうして制御される空気ばねは常に適切なタイミングで適切な制御力を発生することになり、前記の効果を充分に得ることができる。

−他の実施形態−
本発明の構成は、前記実施形態のものに限定されず、その他の種々の構成を包含する。すなわち、前記実施形態においては、搭載装置Ｄのステージ４を例えばＳ字加減速のように加減速の途中で加速度の大きさが変化しない移動パターンで移動させるようにしているが、台形加減速パターンの場合も同様に位置の推定精度が高いため、適用可能である。

また、前記の実施形態では、Ｓ字加減速のように位置や加速度の制御性が高い移動パターンであれば、結果として位置等の推定値が実際のものと高い精度で一致し、誤差は主にステージ４の加減速の開始又は終了時期のずれによって生じるのみと考えて、制振フィードフォワード制御のタイミングを補正するようにしているが、これには限らない。

さらに、簡易的には学習補正を行わないことも可能である。すなわち、前記の実施形態ではステージ位置センサ３４による検出結果に応じて補正を行っているが、この補正をしないことも可能であり、その場合にはステージ位置センサ３４は不要になる。

また、前記の実施形態ではコントローラ３０の位置・加速度生成部３０ｄにおいてステージ４の位置及び加速度を推定し、これに基づいて制振フィードフォワード制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘを求めるようにしているが、簡易的には位置の推定結果のみに基づいて前記制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘを求めることもできる。

また、前記の実施形態では、コントローラ３０において先にステージ４の位置及び加速度の推定値から制振フィードフォワード制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘを求めておき、その後のタイミング信号の入力に応じてサーボ弁２４へ制御信号を出力するようにしているが、これに限らず、タイミング信号の入力後に制振フィードフォワード制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘを求めて、サーボ弁２４へ制御信号を出力するようにしてもよい。また、ステージ４の位置や加速度の推定もタイミング信号の入力後に行うようにしてもよい。

さらに、前記の実施形態において水平方向の空気ばねは設けず、これに代えてリニアモータ等のアクチュエータを設けることもできる。リニアモータは応答性が高いので、制御系の時間遅れは小さくなるが、一方で空気ばねには比較的容易に大出力を得られるという長所がある。さらに、搭載装置Ｄによっては水平方向の揺れを抑える必要性のないものもあり、この場合には水平方向のアクチュエータは必要ない。

さらにまた、前記の実施形態において定盤１や搭載機器Ｄの静荷重を支持する空気ばねユニット２，２，…とは別に、上下方向の制御力を発生するリニアモータ等のアクチュエータを設けることもできる。また、静荷重を支持するばね要素として空気ばねを用いる必要もなく、それ以外のガスを用いた他の気体ばねを用いてもよいし、例えばコイルばね等、気体ばね以外のばね要素を用いることも可能である。

以上、説明したように、本発明に係るアクティブ除振装置は、一般に応答遅れの大きい気体ばねを用いて除振対象物の揺れを抑えるようにした場合でも、その揺れの発生に間に合うように制御力を発生させることができるので、有用である。

本発明の実施形態に係るアクティブ除振台の概略構成を示す図である。 空気ばねの内圧の制御の構成を示すブロック図である。 (a)は、ステージの移動パターンを示し、(b)は、その移動によって発生する揺れを示す説明図である。 ステージの実際の位置とその推定値との関係の一例を示す説明図である。

Ａ 除振台（アクティブ除振装置）
Ｄ 搭載装置（除振対象物）
１ 定盤（除振対象物）
２ 空気ばねユニット（ばね要素）
３ 搭載装置の本体
４ ステージ（移動物）
５ ステージコントローラ（移動物制御手段）
３０ コントローラ
３０ｄ 位置・加速度生成部（移動状態推定手段）
３０ｅ 制振フィードフォワード制御部（フィードフォワード制御手段、補正手段）
３１ 加速度センサ（振動センサ）
３２ 変位センサ（振動センサ）
３４ ステージ位置センサ（位置センサ）

Claims (6)

1. 除振対象物を複数のばね要素により支持するとともに、その振動状態を検出するための振動センサを備え、この振動センサからの信号に応じてアクチュエータを制御することにより、前記除振対象物に対しその振動を抑えるような制御力を付与するようにしたアクティブ除振装置であって、
   前記除振対象物における移動物の制御を行う移動物制御手段と、
   前記移動物制御手段による移動物の制御に係る情報に基づいて、その移動物の移動軌跡上における位置を少なくとも推定する移動状態推定手段と、
   前記移動状態推定手段により推定された移動物の位置に基づいて、その移動による各ばね要素への荷重配分の変化に見合う制御力を発生するように、アクチュエータを制御するフィードフォワード制御手段と、を備え、
   前記フィードフォワード制御手段は、アクチュエータの制御を、当該アクチュエータの応答遅れを含めた制御系における時間遅れの分、前記移動物制御手段による移動物の制御よりも早いタイミングで実行するように構成されていることを特徴とするアクティブ除振装置。
2. ばね要素が気体ばねであり、この気体ばねが制御力を発生するアクチュエータとして用いられる
   請求項１に記載のアクティブ除振装置。
3. 移動状態推定手段は、移動物の制御情報に基づいてその加速度も推定するものであり、
   フィードフォワード制御手段は、前記移動状態推定手段により推定された移動物の加速度に基づいて、その移動の反力を受け止めるようにアクチュエータを制御するものである
   請求項１又は２のいずれかに記載のアクティブ除振装置。
4. 移動物制御手段は、移動物を略一定の大きさの加速度で加速乃至減速させて移動させるものである
   請求項１〜３のいずれか１つに記載のアクティブ除振装置。
5. 除振対象物における移動物の位置を検出するための位置センサと、
   前記位置センサからの信号に基づいて検出される移動物の位置と移動状態推定手段による推定位置との偏差を学習して、フィードフォワード制御手段によるアクチュエータ制御のタイミングを補正する学習補正手段と、を備える
   請求項１〜４のいずれか１つに記載のアクティブ除振装置。
6. 学習補正手段は、振動センサからの信号に基づいて検出される除振対象物の振動状態を学習して、フィードフォワード制御手段によるアクチュエータの制御量を補正するように構成されている
   請求項５に記載のアクティブ除振装置。

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