JP5002759B2

JP5002759B2 - 除振装置および除振方法

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Publication number: JP5002759B2
Application number: JP2005298771A
Authority: JP
Inventors: 健嗣川嶋; 利春香川
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2025-10-13
Also published as: JP2007107604A

Description

本発明は、新規な除振装置に関する。また、本発明は、この除振装置を用いる新規な除振方法に関する。

従来、半導体露光装置等の超精密機器の振動制御には、空気バネ式除振装置が使われており、その除振装置内部の圧力を、サーボバルブを用いて精密に制御している（例えば、非特許文献１参照。）。

空気バネ式除振装置には、排気流量の大きい圧力制御型弁であるノズルフラッパ型空気圧サーボバルブが用いられ、変位と加速度をフィードバック信号として制御が行われている。ノズルフラッパ型空気式サーボバルブは、圧力に対して高い制御性を持っている。

空気ばね式除振装置の除振性能の向上には柔らかいばねの実現が重要である。この実現のために、空気ばね室内の容器容積を大きくすることが必要となる。そこで、空気ばね式除振装置と比べ容積が大きいバッファタンクを空気ばね式除振装置に接続し、空気ばね内の容器容積を大きくする方法がとられている。

一方、高精度な圧力微分計の開発がなされている（例えば、非特許文献２〜８参照。）。
S.Wakui：Incline Compensation Control Using an AirSpring Type Active Isolated Apparatus，Precision Engineering，27，170/174(2003) 加藤、川嶋、香川：等温化圧力容器を応用した圧力微分計の提案，SICEシステムインテグレーション部門講演会(SI2003),CD-ROM(2003) 加藤、川嶋、香川：等温化圧力容器を応用した圧力微分計の提案、計測自動制御学会論文集、40-6，642/647(2004) Tomonori Kato,Kenji Kawashima,Michio Yanagisawa,Toshiharu Kagawa:Application of Pressure Differentiator Using Isothermal Chamber to Isolation Table,SICE Annual Conference,CD-ROM(2004) 山崎陽介，川嶋健嗣，香川利春，加藤友規，柳澤通雄：圧力微分計を用いた空気ばね式除振台の制御，秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集，pp.221-223(2004) Kenji Kawashima,Tomonori Kato,Yosuke Yamazaki,Michio Yanagisawa and Toshiharu Kagawa:Development of slit type pressure differentiator using an isothermal chamber,Measurement Science and Technology,Vol.16,pp.1150-1156(2005) 川嶋健嗣，五十嵐康一，小玉亮太，加藤友規，香川利春：微細加工技術によるスリット型流路を用いた圧力微分計の開発，計測自動制御学会論文集，Vol.41，No.5 pp.405-410(2005) Kenji Kawashima,Tomonori Kato,Yosuke Yamazaki,Michio Yanagisawa and Toshiharu Kagawa:Development of slit type pressure differentiator using an isothermal chamber,Measurement Science and Technology,Vol.16,pp.1150-1156(2005)

しかしながら、上述した従来の方法では、スペースを取るだけでなく、バッファタンク内空気も制御する必要があり、エネルギー消費も大きいという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な除振装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、この除振装置を用いる新規な除振方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の除振装置は、除振台と、前記除振台を支持する空気バネと、前記空気バネへの給気と排気を行うバルブと、前記除振台の位置を検出する位置検出手段と、前記除振台の加速度を検出する加速度検出手段と、前期位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループと、前記加速度検出手段の出力を用いる加速度フィードバックループを有し、前記バルブにより前記空気バネの内圧を調整することにより、前記除振台の変位を制御する除振装置において、前記バルブがノズルフラッパ型サーボバルブであり、前記空気バネの圧力変化を検出する圧力変化検出手段と、前記圧力変化検出手段の出力を、補償器を通して前記ノズルフラッパ型サーボバルブの入力側にフィードバックする圧力変化フィードバックループを有し、前記圧力変化フィードバックループを有する、前記ノズルフラッパ型サーボバルブと前記空気バネの系は、前記ノズルフラッパ型サーボバルブへの入力電圧の変化に対する前記空気バネの圧力応答が時定数を有し、前記補償器のフィードバックゲインＫ_ｄｐを設定することにより、前記時定数を前記圧力変化フィードバックループを有しないときよりも大きくし、前記時定数を大きくすることにより、仮想的に前記空気バネの容積を大きくすることを特徴とする。

ここで、限定されるわけではないが、圧力変化検出手段は、容器と、空気バネ内と前記容器内を連絡する導通路と、前記空気バネ内と前記容器内の圧力差を求める差圧計とを有する圧力微分計であり、前記導通路は、２つの面の間に形成されるすきま流路であり、前記すきま流路の断面形状は、円形の筒形状、楕円の筒形状、若しくは、矩形の筒形状であり、または、円形の筒形状の一部、楕円の筒形状の一部、若しくは、矩形の筒形状の一部を有することが好ましい。また、限定されるわけではないが、圧力変化検出手段は、容器と、空気バネ内と前記容器内を連絡する導通路と、前記空気バネ内と前記容器内の圧力差を求める差圧計とを有する圧力微分計であり、前記導通路は円筒形状であり、前記円筒形状の平均半径は1〜100mmの範囲内にあり、前記円筒形状の厚さは0.00001〜0.001mの範囲内にあり、前記円筒形状の長さは20〜500mmの範囲内にあることが好ましい。

本発明の除振方法は、除振台を空気バネにより支持し、前記空気バネへの給気と排気をバルブにより行い、前記除振台の位置を位置検出手段により検出し、前記位置検出手段の出力をフィードバックし、前記除振台の加速度を加速度検出手段により検出し、前記加速度検出手段の出力をフィードバックし、前記バルブにより前記空気バネの内圧を調整することにより、前記除振台の変位を制御する除振方法において、前記バルブがノズルフラッパ型サーボバルブであり、前記空気バネの圧力変化を圧力変化検出手段により検出し、前記圧力変化検出手段の出力を、補償器を通して前記ノズルフラッパ型サーボバルブの入力側にフィードバックすることにより、圧力変化フィードバックループを形成し、前記圧力変化フィードバックループを有する、前記ノズルフラッパ型サーボバルブと前記空気バネの系は、前記ノズルフラッパ型サーボバルブへの入力電圧の変化に対する前記空気バネの圧力応答が時定数を有し、前記補償器のフィードバックゲインＫ_ｄｐを設定することにより、前記時定数を前記圧力変化フィードバックループを有しないときよりも大きくし、前記時定数を大きくすることにより、仮想的に前記空気バネの容積を大きくすることを特徴とする。

本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明は、除振台と、前記除振台を支持する空気バネと、前記空気バネへの給気と排気を行うバルブと、前記除振台の位置を検出する位置検出手段と、前記除振台の加速度を検出する加速度検出手段と、前期位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループと、前記加速度検出手段の出力を用いる加速度フィードバックループを有し、前記バルブにより前記空気バネの内圧を調整することにより、前記除振台の変位を制御する除振装置において、前記バルブがノズルフラッパ型サーボバルブであり、前記空気バネの圧力変化を検出する圧力変化検出手段と、前記圧力変化検出手段の出力を、補償器を通して前記ノズルフラッパ型サーボバルブの入力側にフィードバックする圧力変化フィードバックループを有し、前記圧力変化フィードバックループを有する、前記ノズルフラッパ型サーボバルブと前記空気バネの系は、前記ノズルフラッパ型サーボバルブへの入力電圧の変化に対する前記空気バネの圧力応答が時定数を有し、前記補償器のフィードバックゲインＫ_ｄｐを設定することにより、前記時定数を前記圧力変化フィードバックループを有しないときよりも大きくし、前記時定数を大きくすることにより、仮想的に前記空気バネの容積を大きくするので、新規な除振装置を提供することができる。

本発明は、除振台を空気バネにより支持し、前記空気バネへの給気と排気をバルブにより行い、前記除振台の位置を位置検出手段により検出し、前記位置検出手段の出力をフィードバックし、前記除振台の加速度を加速度検出手段により検出し、前記加速度検出手段の出力をフィードバックし、前記バルブにより前記空気バネの内圧を調整することにより、前記除振台の変位を制御する除振方法において、前記バルブがノズルフラッパ型サーボバルブであり、前記空気バネの圧力変化を圧力変化検出手段により検出し、前記圧力変化検出手段の出力を、補償器を通して前記ノズルフラッパ型サーボバルブの入力側にフィードバックすることにより、圧力変化フィードバックループを形成し、前記圧力変化フィードバックループを有する、前記ノズルフラッパ型サーボバルブと前記空気バネの系は、前記ノズルフラッパ型サーボバルブへの入力電圧の変化に対する前記空気バネの圧力応答が時定数を有し、前記補償器のフィードバックゲインＫ_ｄｐを設定することにより、前記時定数を前記圧力変化フィードバックループを有しないときよりも大きくし、前記時定数を大きくすることにより、仮想的に前記空気バネの容積を大きくするので、新規な除振方法を提供することができる。

以下、除振装置および除振方法にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。

除振装置および除振方法として、圧力制御型バルブを用いた空気バネ式除振装置および除振方法、並びに、圧力制御型バルブと圧力微分計を用いた空気バネ式除振装置および除振方法について説明する。

圧力制御型バルブを用いた空気バネ式除振装置および除振方法

圧力制御型バルブであるノズルフラッパ型サーボバルブは入力電圧ｕに対して固定容器の圧力Ｐが１次遅れ系の関係になる。つまり、入力電圧がステップ的に変化した場合の圧力応答の時間波形は次式（数１）で与えられる。

ここで、Ｋは比例ゲイン、Ｔは時定数である。この関係をブロック線図で表すと図１となる。
空気バネ式除振装置は通常、質量、ばね、ダンパで表現される。運動方程式で表すと、次式（数２）となる。

ここで、ｘは空気バネの変位、ｍは空気バネ上の負荷質量、Ａは空気バネにおける負荷を支える部分の面積、Ｐは空気バネ内の圧力、ｋはバネ係数、ｂは粘性係数である。

よって、（２）式より圧力Ｐから変位ｘまでの関係をブロック線図で表すと図２となる。図２に示される制御対象である空気バネ式除振装置の制御では、通常、変位計を用いて変位ｘを、加速度計を用いて加速度d²x/dt²をそれぞれ計測する。それらの値をフィードバック信号として制御器に取り込んで、所定の制御方法による演算を行い、制御弁であるノズルフラッパ型サーボバルブに制御信号を与えることで、圧力Ｐを制御して変位および加速度の変化を最小限に押さえるように制御を行う。

制御方法としては、変位に関して目標値ｘ_ｒに対するＰＩ制御、加速度に対しては比例ゲインＫ_ａをかけた信号をフィードバックすることが一般的である。つまり、バルブへの制御信号（通常電圧）ｕは次式（数３）で与えられる。ここで、Ｋ_ｐは比例ゲインであり、Ｔ_Ｉは積分時定数である。

よって、従来の制御方法をブロック線図にまとめると図３となる。ノズルフラッパ型サーボバルブは出力が圧力（不完全積分値）であり、圧力制御には大変有効である。

除振装置は、除振台と、前記除振台を支持する空気バネと、前記空気バネへの給気と排気を行うバルブと、前記除振台の位置を検出する位置検出手段と、前記除振台の加速度を検出する加速度検出手段と、前記位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループと、前記加速度検出手段の出力を用いる加速度フィードバックループを有する除振装置である。前記バルブは、圧力制御型バルブであるノズルフラッパ型サーボバルブである。

図４は、空気バネをアクチュエータとする従来の空気バネ式除振装置の構成を示す。同図において、１は空気バネのバッファタンク部分、２は空気バネのゴムベローズ部分を、３は除振台を示す。空気バネ１と２は除振台３を支持している。４は除振台の位置を検出する位置センサ（位置検出手段）を示す。位置センサ４としては渦電流式変位センサ、静電容量センサ、光電変換素子を応用した位置検出センサなどが使用できる。５は、除振台の加速度を検出する加速度センサ（加速度検出手段）である。６は空気の供給源を示す。７は、空気バネへ動作流体である空気の給気および排気を行うノズルフラッパ型サーボバルブである。

つぎに、空気バネ式支持脚１２に対するフィードバック装置１２０の構成とその動作を説明する。まず、加速度センサ５の出力は、適切な増幅度と時定数とを有するフィルタ８−ｂを通った後にＰ補償器１５を通り、ノズルフラッパ型サーボバルブ７の弁開度制御用電圧電流変換器１１の前に負帰還している。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図られる。すなわち、ダンピングが付与される。

さらに、位置センサ４の出力は、同じく適切な増幅度と時定数とを有するフィルタ８−ａを通って、設定変位との比較器９への入力となっている。ここでは、空気バネ式支持脚１２の設置面に対する目標位置となる設定変位と比較され、偏差信号がＰＩ補償器１０を通って電圧電流変換器１１に入力する。サーボバルブ７の弁開度の変化によって空気バネ１と２の内圧が調整されて除振台３は目標設定変位に定常偏差なく保持できる。このように、位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループが形成されている。ここで、Ｐは比例を、Ｉは積分動作をそれぞれ意味する。

圧力制御型バルブと圧力微分計を用いた空気バネ式除振装置および除振方法

ここでは、高分解能で圧力微分値が測定可能な圧力微分計の信号をフィードバックする。このほかは、上述した圧力制御型バルブを用いた空気バネ式除振装置と同様である。

図５の点線で囲ったブロック図に示すように、圧力微分値をフィードバックすると、入力電圧がステップ的に変化した場合の圧力応答の時間波形は次式（数４）で与えられえる。

つまり、時定数をＴからＴ＋Ｋ_ｄｐに大きくすることができる。圧力微分値をフィードバックすると電圧から圧力までの伝達関数はＰ／ｕ＝Ｋ／((Ｔ＋Ｋ・Ｋ_ｄｐ)ｓ＋１)で表される。
空気ばねのばね定数ｋは次式(数５)で与えられる。

ここで、Ｐは空気ばね内の圧力、Ａは空気ばねの受圧面積Ｖは空気ばね内の容積を表す。（５）式より柔らかいばねはＶを大きくすることで実現できることがわかる。

ノズルフラッパ型バルブにおいて、ある平衡圧Ｐでの圧力変化ΔＰと質量流量変化ΔＧから、流量ゲインａを次式（数６）で与える。

時定数Ｔは、次式（数７）で示される。ここで、Ｒは気体定数、θは気体の絶対温度である。

つまり、時定数Ｔを大きくすることは、容積Ｖを大きくすることと比例関係にあり、（５）式からばね定数ｋが小さくなることが明らかである。つまり、柔らかいばねが実現できることを意味する。通常容積を大きくしてばね定数を小さくする方法がとられる。図５の方法では、圧力微分計を用いることで（４）式から明らかなように、ノズルフラッパ型バルブの時定数を大きくできることから、容積を大きくしたことと等価な効果が得られ、仮想的に容積を大きくしたことになる。

除振装置は、図６に示すように圧力微分計（圧力変化検出手段）１３の信号もフィードバックするものである。図６の空気バネ式支持脚１２に対するフィードバック装置１２０の構成とその動作を説明する。まず、加速度センサ５と位置センサ４の出力は図４の従来の方法と同様にサーボバルブに与えられる。

さらに、空気バネの圧力変化を検出する圧力微分計１３の出力が適切な増幅度と時定数とを有するフィルタ８−ｃを通った後に、Ｐ補償器１４を通して負帰還される。このように、圧力変化検出手段の出力を用いる圧力変化フィードバックループが形成される。微圧制御では、圧力センサの出力を微分した信号を負帰還してもノイズの影響等で有効な信号として使用することが困難である。しかし、圧力微分計１３を用いることによって、高分解能、低ノイズに圧力変化が測定可能となり、負帰還信号として有効となる。これらの制御信号によって、空気バネ１と２内の圧力が調整されて除振台３は目標変位に定常偏差なく保持できる。

空気バネの容積は50cc〜0.1m³の範囲内にあることが好ましい。空気バネの容積が50cc以上であると、空気バネとしての効果が期待できるという利点がある。空気バネの容積が0.1m³以下であると、スペースの確保が可能であるという利点がある。なお、空気バネの容積は、空気バネのバッファタンク部分１の容積とゴムベローズ部分２の容積の合計の値である。

つぎに、圧力微分計について説明する。図７は、圧力微分計の構成を示すものである。圧力微分計は、容器と、計測対象と容器内を連絡するすきま流路と、計測対象と容器内の圧力差を求める差圧計とを有している。

容器としては、等温化圧力容器２１を用いることができる。等温化圧力容器２１には、等温化具材が充填されている。等温化具材としては、例えば金属細線を使用することができる。

金属細線としては、例えば銅細線を使用することができる。このほか、鉄、アルミニウム、ステンレスなどの細線や、木綿、ナイロンなどを使用することができる。すなわち、材料が繊維状であり、その径が10〜50μmの範囲にあり、熱伝導度が0.05W/mK以上であれば採用することができる。

等温化圧力容器の容積に対する等温化具材の体積比は、3〜15％の範囲にあることが好ましい。体積比が3％以上であると、ほぼ等温変化を実現できるという利点がある。体積比が15％以下であると、容器内の圧力が分布せず、容器のどの個所で圧力を測定しても問題ないという利点がある。

等温化圧力容器の容積は1.0×10^−８〜1.0×10^−４ｍ^３の範囲にあることが好ましい。容積が1.0×10^−８ｍ^３以上であると、等温化圧力容器が構成しやすいという利点がある。容積が1.0×10^−４ｍ^３以下であると、高応答の計測が可能であるという利点がある。

圧力微分計の計測対象としては、空気が適用できる。計測対象は空気に限定されない。このほか、窒素、水素、二酸化炭素などあらゆる気体などに適用することができる。

すきま流路（導通路）は、２つの曲面の間に形成されるすきまである。図７の例において、曲面は円筒形状である。すきま流路２６は、外半径r₁、内半径r₂、および長さLの円筒形状である。円筒形状の平均半径r_mは、r_m=(r₁+r₂)/2で表すことができる。すきま流路６の厚さhは、h=r₁-r₂で表すことができる。

ここで、円筒形状の平均半径r_mは1〜100mmの範囲内にあることが好ましい。平均半径r_mが1mm以上であると、加工が容易であるという利点がある。平均半径r_mが100mm以下であると、センサが大きくならずに済むという利点がある。

すきま流路の厚さhは0.00001〜0.001mの範囲にあることが好ましい。厚さhが0.00001m以上であると動特性がある程度確保できること、圧力損失が大きくならずに済みという利点がある。厚さhが0.001m以下であると、層流の実現が容易であるという利点がある。

すきま流路の長さLは20〜500mmの範囲内にあることが好ましい。長さLが20mm以上であると、助走距離の影響を小さくできるという利点がある。長さLが500mm以下であると、時定数が大きくならずに済むという利点がある。

すきま流路の形状は、上述の円筒形状（断面が円形の筒形状）に限定されるものではない。このほかすきま流路の形状としては、断面が楕円の筒形状、断面が矩形の筒形状などを採用することができる。

すきま流路は、上述のように種々の形状を採用することができる。ここで、形状はその全体であっても、またその一部であってもよい。たとえば断面が円形の筒形状（円筒形状）においては、断面が円形すべてばかりでなく、一部が欠けているもの（たとえば半円形）であってもよい。

すきま流路は、１つばかりでなく、複数個設置してもよい。すきま流路を複数個設置すると、時定数を小さくできるという利点がある。

計測時のすきま流路内の流れは、層流であることが好ましい。その理由は、圧力と流量に比例関係が成立し、圧力微分計が構成できるからである。

図７に示すように、計測対象と等温化圧力容器内の圧力差を求めるために差圧計を用いる。差圧計としては、ダイアフラム式差圧計２２を用いることができる。差圧計は、このダイアフラム式差圧計２２に限定されない。このほか、ベローズを使用するものなどあらゆる差圧計を用いることができる。なお、差圧計は、図７のように内蔵されている必要は必ずしもない。外付けでも、すきま流路間の差圧が計測できればよい。

計測対象である下部の容器内圧力P_sが変化すると、すきま流路を通って等温化圧力容器内の圧力P_cが僅かに遅れて変化し、その時の差圧P_j=P_s-P_cをダイアフラム式差圧計で計測することにより、P_sの微分値を求めることが可能である。

上記の例では、導通路としてすきま流路を挙げた。導通路は、このすきま流路に限定されない。このほか、断面が円形の管、断面が矩形のスリットなどを用いることができる。導通路内の流れは、層流であることが好ましい。

図７において、等温化圧力容器２１内は常に等温であり、すきま流路の流れが層流であると、エネルギー方程式とハーゲンポアズイユの法則より、計測対象の圧力Ｐ_ｓの微分値と圧力の出力の間には、次式（数８）の関係が導かれる（非特許文献３）。

（８）式より、圧力微分計の出力Ｐ_ｄｏと計測対象の圧力Ｐ_ｓの微分値の間には、一次遅れの関係が成立する。ここで、Ｐ_ｃは等温化圧力容器内の圧力、Ｐ_ｊはダイアフラム式差圧計の出力信号である。圧力微分計の出力ゲイン

は定数となる。（９）式において、μは粘度、Ｒは空気の気体定数、θは容器内の絶対温度、ρ_ａは大気圧下における空気の密度、Ｐ_ａは大気圧下の圧力、Ｖは等温化圧力容器の容積、Ｌはすきま流路の長さ、ｒ_１はすきま流路の外半径、ｒ_２はすきま流路の内半径である。

圧力微分計を加圧下（Ｐ_ｃ≧Ｐ_ａ）で使用する場合には、容器内が加圧されるほど、時定数

は小さくなる。

つぎに、圧力制御型バルブを用いた空気バネ式除振装置、および圧力制御型バルブと圧力微分計を用いた空気バネ式除振装置について、除振装置としての評価を実験により行った。使用機器と実験条件は以下のとおりである。

圧力制御型バルブを用いた空気バネ式除振装置

図４に示す除振装置において実験を行った。使用した空気ばねの容積1700ccに対して、容積1000ccのサブバッファタンク（図示していない）を除振台に並列で繋ぎ実験をした。なお、サブバッファタンクなしの状態での固有周波数は1.4Hzとなり、サブバッファタンクを付加した場合は1.1Hzとなった。

除振装置において、変位センサおよび加速度センサは以下のものを用いた。
変位センサ：ＰＥ−ＬＳ５、富士電機社製
加速度センサ：ＭＧ−１０２−２０、特許機器社製

実験は空気ばねに負荷86Kgを載せて目標位置３mmで浮上させた状態から、負荷上のシリンダを駆動させることで外乱を与え、その際の変位を計測した。
実験条件としては、実験番号1：サブバッファタンクをつけた状態での実験、実験番号2：サブバッファタンクを外した状態での実験、の２種類を行った。表１に実験パラメータを示す。

圧力制御型バルブと圧力微分計を用いた空気バネ式除振装置

図６に示す除振装置において実験を行った。使用した空気ばねの容積1700ccである。
圧力微分計を製作した。製作した圧力微分計の仕様は以下のとおりである。
容器の形状：筒型（直径d_v=20mm、高さH_v=45mm）
V：（π/4）d_v ^４H_v＝8.2×10^-6m^３
r₁:10mm
r₂:9.9mm
h:100μm
L:25mm
P_c，P_sを計測する圧力センサ：豊田工機PD64S500K
P_jを測定するダイアフラム式圧力センサ：長野計器KL-17
等温化具材：φ25μmの銅細線、12g（体積比7.1％、
単位体積あたりの質量620kg/m^３）

実験は空気ばねに負荷86Kgを載せて目標位置３mmで浮上させた状態から、負荷上のシリンダを駆動させることで外乱を与え、その際の変位を計測した。実験条件としては、実験番号3：サブバッファタンクを外した状態で、圧力微分値をフィードバックした場合の実験を行った。表１に実験パラメータを示す。

実験結果は、図８，９に示すとおりである。
図８は、サブバッファタンクを付けた場合（実験番号１）の変位と、サブバッファタンクを外した場合（実験番号２）の変位を比較した図である。浮上させて20秒経ってから、シリンダを駆動させて外乱を与えた。目標位置３mmに対し、一度沈んでから行き過ぎた後に定常状態に戻っている。図中の（１）の線が容積を大きくした場合（実験番号１）であり、より大きく変位が変動しており、柔らかいばねとなっていることがわかる。

図９は、サブバッファタンクを付けた場合（実験番号１）の変位と、サブバッファタンクを外した状態で、圧力微分値をフィードバックした場合（実験番号３）の変位を比較した図である。両者はよく一致しており、実験番号３の方法で仮想的に容積を大きくした場合と等価な効果が得られていることがわかる。

実験番号３の方法によって空気ばね式除振台の制御用バルブの動きを任意に変更することが可能となり、空気ばねにサブバッファタンクを設けた場合と同様な柔らかな動きが実現できる。つまりサブバッファタンクをつけた状態を仮想的に実現でき、省スペース化と省エネルギー化の双方が実現可能である。従来のサブバッファタンクを設置する方法と比較して、その分の容積の省スペース化が実現できるとともに、バッファタンクでの消費空気量を削減できる。通常サブバッファバンクは空気ばね内容積の10倍程度の場合が多い。よって、その分のスペースと消費空気量が削減できる。

省エネルギー化が実現できるのは、バッファタンクへの空気の充填、放出の必要性がないことから、消費空気量が削減できるからである。

なお、上述の除振装置では、垂直方向の振動の制御について説明したが、この垂直方向に限定されるわけではない。本発明の除振装置は、このほか水平方向などあらゆる方向の振動の制御に用いることができる。

上述の例では、圧力微分計の出力をフィードバックさせることを説明したが、この方法に限定されるわけではない。このほか、圧力微分値の出力を積分してフィードバックして制御をすることもできる。この方法は、圧力制御型バルブ（たとえばノズルフラッパ型サーボバルブ）ばかりでなく、流量制御型バルブ（たとえばスプール型サーボバルブ）にも適用できる。

本発明の除振装置は、半導体露光装置等の超精密機器の振動制御ばかりでなく、加工装置、車両などの振動制御にも使用することができる。

以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、除振台と、前記除振台を支持する空気バネと、前記空気バネへの給気と排気を行うバルブと、前記除振台の位置を検出する位置検出手段と、前記除振台の加速度を検出する加速度検出手段と、前期位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループと、前記加速度検出手段の出力を用いる加速度フィードバックループを有する除振装置において、前記空気バネの圧力変化を検出する圧力変化検出手段と、前記圧力変化検出手段の出力を用いる圧力変化フィードバックループを有し、前記バルブが圧力制御型バルブであるので、新規な除振装置を提供することができる。

また、本発明を実施するための最良の形態によれば、除振台を空気バネにより支持し、前記空気バネへの給気と排気をバルブにより行い、前記除振台の位置を位置検出手段により検出し、前記位置検出手段の出力をフィードバックし、前記除振台の加速度を加速度検出手段により検出し、前記加速度検出手段の出力をフィードバックする除振方法において、前記空気バネの圧力変化を圧力変化検出手段により検出し、前記圧力変化検出手段の出力をフィードバックし、前記バルブが圧力制御型バルブであるので、新規な除振方法を提供することができる。

なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。

ノズルフラッパ型サーボバルブのブロック線図である。空気バネ式除振装置のブロック線図である。ノズルフラッパ型サーボバルブを用いた従来の空気バネ式除振装置のブロック線図である。ノズルフラッパ型サーボバルブを用いた従来の空気バネ式除振装置を示す図である。圧力微分値をフィードバックする制御方法のブロック線図である。圧力微分値をフィードバックする空気バネ式除振装置を示す図である。計測対象と等温化圧力容器内を連絡するすきま流路と、計測対象と等温化圧力容器内の圧力差を求めるダイアフラム式差圧計を有する圧力微分計を示す図である。サブバッファタンクを付けた場合の変位と、サブバッファタンクを外した場合の変位を比較した図である。サブバッファタンクを付けた場合の変位と、サブバッファタンクを外した状態で、圧力微分値をフィードバックした場合の変位を比較した図である。

符号の説明

１‥‥空気バネのバッファタンク部分、２‥‥空気バネのゴムベローズ部分、３‥‥除振台、４‥‥位置センサ、５‥‥加速度センサ、６‥‥空気の供給源、７‥‥ノズルフラッパ型サーボバルブ、８ａ，８ｂ，８ｃ‥‥フィルタ、９‥‥比較器、１０‥‥ＰＩ補償器、１１‥‥電圧電流変換器、１２‥‥空気バネ式支持脚、１３‥‥圧力微分計、１４，１５‥‥Ｐ補償器、２１‥‥等温化圧力容器、２２‥‥ダイアフラム式差圧計、２４‥‥容器、２６‥‥すきま流路

Claims

除振台と、前記除振台を支持する空気バネと、前記空気バネへの給気と排気を行うバルブと、前記除振台の位置を検出する位置検出手段と、前記除振台の加速度を検出する加速度検出手段と、前記位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループと、前記加速度検出手段の出力を用いる加速度フィードバックループを有し、
前記バルブにより前記空気バネの内圧を調整することにより、前記除振台の変位を制御する除振装置において、
前記バルブがノズルフラッパ型サーボバルブであり、
前記空気バネの圧力変化を検出する圧力変化検出手段と、前記圧力変化検出手段の出力を、補償器を通して前記ノズルフラッパ型サーボバルブの入力側にフィードバックする圧力変化フィードバックループを有し、
前記圧力変化フィードバックループを有する、前記ノズルフラッパ型サーボバルブと前記空気バネの系は、前記ノズルフラッパ型サーボバルブへの入力電圧の変化に対する前記空気バネの圧力応答が時定数を有し、
前記補償器のフィードバックゲインＫ_ｄｐを設定することにより、前記時定数を前記圧力変化フィードバックループを有しないときよりも大きくし、
前記時定数を大きくすることにより、仮想的に前記空気バネの容積を大きくする
ことを特徴とする除振装置。
圧力変化検出手段は、容器と、空気バネ内と前記容器内を連絡する導通路と、前記空気バネ内と前記容器内の圧力差を求める差圧計とを有する圧力微分計であり、
前記導通路は、２つの面の間に形成されるすきま流路であり、
前記すきま流路の断面形状は、円形の筒形状、楕円の筒形状、若しくは、矩形の筒形状であり、または、円形の筒形状の一部、楕円の筒形状の一部、若しくは、矩形の筒形状の一部を有する
ことを特徴とする請求項１記載の除振装置。
圧力変化検出手段は、容器と、空気バネ内と前記容器内を連絡する導通路と、前記空気バネ内と前記容器内の圧力差を求める差圧計とを有する圧力微分計であり、
前記導通路は円筒形状であり、
前記円筒形状の平均半径は1〜100mmの範囲内にあり、
前記円筒形状の厚さは0.00001〜0.001mの範囲内にあり、
前記円筒形状の長さは20〜500mmの範囲内にある
ことを特徴とする請求項１記載の除振装置。
除振台を空気バネにより支持し、
前記空気バネへの給気と排気をバルブにより行い、
前記除振台の位置を位置検出手段により検出し、前記位置検出手段の出力をフィードバックし、
前記除振台の加速度を加速度検出手段により検出し、前記加速度検出手段の出力をフィードバックし、
前記バルブにより前記空気バネの内圧を調整することにより、前記除振台の変位を制御する
除振方法において、
前記バルブがノズルフラッパ型サーボバルブであり、
前記空気バネの圧力変化を圧力変化検出手段により検出し、前記圧力変化検出手段の出力を、補償器を通して前記ノズルフラッパ型サーボバルブの入力側にフィードバックすることにより、圧力変化フィードバックループを形成し、
前記圧力変化フィードバックループを有する、前記ノズルフラッパ型サーボバルブと前記空気バネの系は、前記ノズルフラッパ型サーボバルブへの入力電圧の変化に対する前記空気バネの圧力応答が時定数を有し、
前記補償器のフィードバックゲインＫ_ｄｐを設定することにより、前記時定数を前記圧力変化フィードバックループを有しないときよりも大きくし、
前記時定数を大きくすることにより、仮想的に前記空気バネの容積を大きくする
ことを特徴とする除振方法。
圧力変化検出手段は、容器と、空気バネ内と前記容器内を連絡する導通路と、前記空気バネ内と前記容器内の圧力差を求める差圧計とを有する圧力微分計であり、
前記導通路は、２つの面の間に形成されるすきま流路であり、
前記すきま流路の断面形状は、円形の筒形状、楕円の筒形状、若しくは、矩形の筒形状であり、または、円形の筒形状の一部、楕円の筒形状の一部、若しくは、矩形の筒形状の一部を有する
ことを特徴とする請求項４記載の除振方法。
圧力変化検出手段は、容器と、空気バネ内と前記容器内を連絡する導通路と、前記空気バネ内と前記容器内の圧力差を求める差圧計とを有する圧力微分計であり、
前記導通路は円筒形状であり、
前記円筒形状の平均半径は1〜100mmの範囲内にあり、
前記円筒形状の厚さは0.00001〜0.001mの範囲内にあり、
前記円筒形状の長さは20〜500mmの範囲内にある
ことを特徴とする請求項４記載の除振方法。