JP5603706B2 - アクティブ除振装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば試験器機、電子顕微鏡、半導体関連の製造装置といった精密機器を床振動から概ね絶縁した状態で設置するための除振装置に関し、特に、アクチュエータを用いて、これらの機器の振動を低減するような制御力を付加するようにしたアクティブタイプの除振装置に関するものである。

従来から、半導体露光装置や電子顕微鏡等の精密機器を床上に設置する場合において、床からの振動を遮断するために、空気ばねを用いた所謂パッシブタイプの除振装置（以下、パッシブ除振装置ともいう）により当該精密機器を支持することが行われている。

ところで、近年、除振装置には１Ｈｚ付近の低周波数域での除振性能に対する要求が高まっている。しかしながら、従来のパッシブ除振装置では、ばね要素を調整することにより共振点（固有振動数）を下げようとしても、１Ｈｚ弱が限界であることから、１Ｈｚ付近の低周波数域での除振性能を高めることは困難である。

そこで、１Ｈｚ付近の低周波数域において大きな除振効果を得るために、例えば、ばね要素で支持された精密機器の加速度Ｘ′′を加速度センサで検出し、それを２回積分することで得られた変位Ｘに制御ゲインＧを乗算して操作量Ｇ・Ｘを決定し、これをフィードバックして精密機器の振動を低減するような制御力を付加する、所謂スカイフックスプリング制御を行うアクティブタイプの除振装置（以下、アクティブ除振装置ともいう）が提案されている。

例えば、特許文献１には、加速度センサにより検出した除振対象物の上下方向加速度の検出値にフィードバック制御ゲインを乗算するとともに、加速度を１回積分して得られる速度に対してフィードバック制御ゲインを乗算し、また、加速度を２回積分して得られる変位に対してフィードバック制御ゲインを乗算して、アクチュエータの制御量を決定するコントローラを備え、予め所定範囲内に設定した除振対象物の複数の質量値に対応して、それぞれ最適なフィードバック制御ゲインの値を実験により求めて設定したマップにおいて、除振対象物の実際の質量よりも小さく且つ最も近い質量値に対応して設定されている最適値を、フィードバック制御ゲインの値とするアクティブ振動制御装置が提案されている。

このアクティブ振動制御装置によれば、変位のフィードバック制御によってスカイフックスプリングの効果が得られ、共振周波数以下の領域で振動伝達率を低下させることができるとされている。

特許第４３５５５３６号公報

ところで、除振装置では、除振機能のみならず、位置制御機能をも有するものが多い。そして、かかる位置制御においては、例えば、変位センサによって検出された、除振対象物と基礎との相対変位Ｘ−Ｘ_０に、比例制御ゲインＰを乗算して操作量Ｐ・（Ｘ−Ｘ_０）を決定し、これをフィードバックして除振対象物の基礎に対する相対位置を一定に保つような制御が通常行われている。

このため、除振及び位置制御を行う従来のアクティブ除振装置では、除振対象物の変位Ｘに比例する操作量Ｇ・Ｘではなく、基礎の変位Ｘ_０を含む操作量Ｐ・（Ｘ−Ｘ_０）＋Ｇ・Ｘがフィードバックされることになる。これは、基礎が振動して変位した場合に、かかる基礎の変位に追従して除振対象物が変位することを意味する。このため、除振及び位置制御を行う従来のアクティブ除振装置では、スカイフックスプリングの効果が得られず除振性能が悪化するという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アクティブ除振装置において、位置制御を行いながらも、スカイフックスプリングの効果により、除振性能を向上させる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明では、除振対象物の加速度から算出される変位をフィードバックするのではなく、基礎の加速度から算出される変位に基づいて除振対象物と基礎との相対変位を補正し、かかる補正された変位をフィードバックするようにしている。

具体的には、第１の発明は、除振対象物を床上に設置される基礎に対して支持するばね要素と、当該除振対象物と当該基礎との相対変位を検出するための変位センサと、当該変位センサからの信号に基づいてフィードバック操作量を決定してアクチュエータを駆動し、当該除振対象物に制御力を付加するフィードバック制御手段と、を備えたアクティブ除振装置を対象とする。

そして、上記基礎の加速度を検出するための加速度センサと、上記加速度センサからの信号から所定の周波数以上の周波数成分の信号を抽出するためのハイパスフィルタと、上記ハイパスフィルタから出力された信号に基づいて基礎の変位を算出し、且つ、当該基礎の変位と、上記変位センサからの信号に基づいて算出された上記除振対象物と上記基礎との相対変位と、によって上記除振対象物の変位を求める信号制御手段と、をさらに備え、
上記フィードバック制御手段は、上記所定の周波数以上の周波数域においては、上記信号制御手段によって求められた上記除振対象物の変位に基づいてフィードバック制御を行う一方、上記所定の周波数未満の周波数域においては、上記変位センサからの信号に基づいて算出された上記除振対象物と上記基礎との相対変位に基づいて該除振対象物の該基礎に対する相対変位を一定に保つようなフィードバック制御を行うことを特徴とするものである。

第１の発明では、除振対象物及び基礎の振動に伴って、これらの間の距離が変化すると、変位センサが除振対象物と基礎との相対変位を検出する。この際、フィードバック制御手段は、変位センサからの信号に基づいてアクチュエータを駆動し、除振対象物に制御力を付加するように構成されているので、除振対象物の基礎に対する相対位置を一定に保つような制御力を当該除振対象物に付加しようとする。

ここで、単に、基礎と除振対象物との距離を一定に保つように位置制御を行うと、基礎の振動（変位）に追従して除振対象物が振動（変位）するため除振性能が悪化するが、第１の発明によれば、信号制御手段によって、加速度センサの信号から算出された基礎の変位に基づいて変位センサからの信号が補正されることから、かかる除振性能の悪化を抑えることが可能となる。

すなわち、所定の周波数を例えば０Ｈｚと１Ｈｚとの間に設定すれば、低周波数域（１Ｈｚ付近）から高周波数域（１０Ｈｚ付近以上）においては、加速度センサからの信号がハイパスフィルタから出力され、かかる信号から算出された基礎の変位に基づいて変位センサからの信号が補正される。具体的には、変位センサによって検出された除振対象物と基礎との相対変位Ｘ−Ｘ_０（「除振対象物の変位Ｘ」−「基礎の変位Ｘ_０」）からＸ_０が消去されて、除振対象物の変位Ｘが残り、フィードバック制御手段が、かかる変位Ｘをフィードバックすることで、スカイフックスプリングの効果を得ることができる。

一方、極低周波数域（０Ｈｚ付近）においては、加速度センサからの信号は、ハイパスフィルタによって抽出され難いので、信号制御手段による、変位センサからの信号の補正量が小さくなる。このため、フィードバック制御手段は、主として変位センサからの信号に基づいて、換言すると、除振対象物と基礎との相対変位Ｘ−Ｘ_０に基づいて、除振対象物の基礎に対する相対位置を一定に保つような制御を行うことになる。

以上により、アクティブ除振装置において、スカイフックスプリングの効果により、低周波数域から高周波数域に亘って除振性能を向上させることが可能となるとともに、極低周波数域では除振対象物の基礎に対する相対位置を一定に保つことが可能となる。

加えて、第１の発明では、除振対象物の加速度を検出するための加速度センサを用いることなく、床の加速度から得られた変位Ｘ_０と変位センサにより得られた相対変位Ｘ−Ｘ_０に基づいて、除振対象物の変位Ｘや速度Ｘ′を求めることができる。したがって、従来、変位センサ、床の加速度センサ及び除振対象物の加速度センサを用いて、変位のフィードバック、除振対象物の振動のフィードバック及び床振動のフィードフォワードを行っていたが、第１の発明によれば、変位センサ及び床の加速度センサだけを用いて同様の制御を行うことが可能となる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記ばね要素は気体ばねであり、上記気体ばねは、当該気体ばねの圧力状態を調整するためのサーボ弁の制御により、制御力を付加するための上記アクチュエータとしても用いられ、上記フィードバック制御手段によって決定されたフィードバック操作量と、上記サーボ弁によって発生する力とが比例関係になるように、当該フィードバック操作量を補正するための補償手段と、をさらに備えていることを特徴とするものである。

ところで、ばね要素として空気ばねを用いたシステムでは、サーボ弁を用いて空気ばねに対する空気の給排流量を調整することが多く、かかるサーボ弁は、入力と出力（制御力）との関係を一次遅れに近似でき、通常、積分域で動作する。このため、サーボ弁を用いて空気ばねを制御すると、変位をフィードバックした場合、結果的に変位を積分したものに比例する制御力が発生することになり、スカイフックスプリングの効果が得られないという問題がある。

ここで、第２の発明では、フィードバック制御手段によって決定されたフィードバック操作量と、サーボ弁によって発生する力とが比例関係になるように、当該フィードバック操作量を補正するための（例えば、フィードバック操作量が、サーボ弁によって圧力に変換された後制御力に変換される過程で近似積分されるのを実質上無効にするような）補償手段を設けていることから、変位をフィードバックすれば変位に比例する制御力が発生することになるので、スカイフックスプリングの効果を得ることができる。

本発明に係るアクティブ除振装置によれば、所定の周波数以上の周波数域（例えば、低周波数域から高周波数域）においては、加速度センサからの信号がハイパスフィルタから出力され、かかる信号から算出された基礎の変位Ｘ_０に基づいて変位センサからの信号が補正される。これにより、変位センサによって検出された相対変位Ｘ−Ｘ_０からＸ_０が消去されて、除振対象物の変位Ｘが残り、フィードバック制御手段が、かかる変位Ｘをフィードバックすることで、スカイフックスプリングの効果を得ることができる。

一方、所定の周波数未満の周波数域（例えば、極低周波数域）においては、加速度センサからの信号は、ハイパスフィルタによって抽出され難いので、信号制御手段による、変位センサからの信号の補正量が小さくなるため、フィードバック制御手段は、主として除振対象物と基礎との相対変位Ｘ−Ｘ_０に基づいて、除振対象物の基礎に対する相対位置を一定に保つような制御を行うことになる。

以上により、アクティブ除振装置において、位置制御を行いながらも、スカイフックスプリングの効果により、除振性能を向上させることができる。

本発明に係る精密除振台の概略構成を示し斜視図である。 実施形態１に係るアクティブ振動制御装置の概略構成を示す図である。 リニアモータ制御における物理的な現象を模式的に表したブロック図である。 周波数と振動伝達率との関係を示すグラフ図である。 実施形態２に係るアクティブ振動制御装置の概略構成を示す図である。 空圧制御における物理的な現象を模式的に表したブロック図である。 周波数と振動伝達率との関係を示すグラフ図である。 実施形態３に係るアクティブ振動制御装置の概略構成を示す図である。 空圧制御における物理的な現象を模式的に表したブロック図である。 周波数と振動伝達率との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態１に係る精密除振台の一例を示し、この精密除振台１は、例えば、半導体関連の製造装置、試験機器、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、レーザ顕微鏡等の精密計測機器のように、振動の影響を受けやすい精密な装置を搭載して、それらを床の振動からできるだけ絶縁した状態で設置するためのものである。より詳しくは、図示の精密除振台１は、高さ調整用のレベラー１９，１９，１９，１９を介して図示しない床上、より詳しくは専用のテーブル上や台上等に設置される基礎構造部（基礎）３と、その上面の４隅にそれぞれ配設された空気ばねユニット５，５，５，５とを備え、これら４つの空気ばねユニット５，５，…により支持された定盤７の上に精密装置（図示せず）などが搭載されるようになっている。

基礎構造部３は、鋼製角パイプの構造部材を概ね直方体形状となるように櫓組みしたものであり、符号９は脚部を、符号１１，１３はそれぞれ梁部を示している。また、符号１５は、空気ばねユニット５の配設される水平板であり、符号１７は、キャスターである。なお、この図では、空気ばねユニット５のコントローラ３９は示していない。

空気ばねユニット５は、図２に模式的に示すように、ベースプレート２５の上に配設された空気ばね（気体ばね（ばね要素））２１と、リニアモータ（アクチュエータ）４７とを有していて、当該空気ばね２１によって、定盤７及び搭載機器（精密装置）の荷重を受けるトッププレート２７を弾性的に支持するとともに、当該トッププレート２７に対しその振動を低減するような制御振動（制御力）をリニアモータ４７によって付加するようにしたものである。そして、定盤７、トッププレート２７及びこれに搭載される精密装置が、本実施形態に係る精密除振台１における除振対象物になる。このように、除振対象物を空気ばね２１により支持することで、ばね特性を非常に柔らかなものとして、制御力を付加しない状態での基本的な除振性能を向上させることができる。

空気ばね２１は、例えば、内部に空気が充填された空気室２１ａと、この空気室２１ａの上壁の開口部にダイヤフラム２９を介して気密状に内挿されたピストン３１とを備えたダイヤフラム形のものが好適であり、さらに、当該ピストン３１にジンバル機構を組み込んで、水平方向に非常に柔らかなばね特性が得られるようにすることもできる。なお、空気ばね２１としてベローズ形のものを用いることもできる。

また、空気ばねユニット５には、基礎構造部３に対する除振対象物の相対変位を、具体的には、ベースプレート２５に対するトッププレート２７の相対変位Ｘ−Ｘ_０を検出するための変位センサ３３と、基礎構造部３の振動状態、具体的には、ベースプレート２５の上下方向の加速度Ｘ_０′′を検出するための第１加速度センサ（加速度センサ）３５とが設けられている。変位センサ３３からの出力信号は、直接コントローラ３９に入力される一方、第１加速度センサ３５からの出力信号は、当該第１加速度センサ３５からの信号から所定の周波数以上の周波数成分の信号を抽出するためのハイパスフィルタ５７（本実施形態では、カットオフ周波数０．０３３Ｈｚの２次のハイパスフィルタ）を介してコントローラ３９に入力されるようになっている。

コントローラ３９は、除振対象物と基礎構造部３との間に配設されたリニアモータ４７を駆動して除振対象物の振動を能動的に制御するように構成されている。より具体的には、コントローラ３９は、各空気ばねユニット５毎のリニアモータ４７に対し制御信号（電流）を出力して、トッププレート２７に対しその振動を低減するような制御力を付加する、すなわち、定盤７及びその上の搭載機器の振動を低減するアクティブ振動制御を行うようになっている。なお、リニアモータ４７は、不図示のコイル及び磁石を備え、コイルに電流を供給することで生じた磁力と、磁石の磁力との間で吸引力または反発力を発生させるものである。コイルはトッププレート２７に、また、磁石はベースプレート２５にそれぞれ取り付けられているが、両者の間には間隙があり非接触になっているため、基礎構造部３の振動がリニアモータ４７を介して除振対象物に伝わらないようになっている。

このコントローラ３９は、詳細は図示しないが、マイクロコンピュータ、Ｉ／Ｏインタフェース、データバスの他、ＲＡＭ、ＲＯＭ、或いはＨＤＤ等のメモリを備えた従来周知構造のデジタルコントローラであり、各センサ３３，３５から出力される信号を受け入れて、これに応じて各空気ばねユニット５毎のリニアモータ４７に制御信号を出力し、これにより、除振対象物の振動を低減し、且つ、その高さ位置を維持するようになっている。

より詳しくは、コントローラ３９は、変位センサ３３からの信号、換言すると、ベースプレート２５に対するトッププレート２７の相対変位Ｘ−Ｘ_０（除振対象物と基礎との相対変位）に基づいて、フィードバック操作量を決定し、当該決定されたフィードバック操作量に基づいてリニアモータ４７を駆動することにより、除振対象物に制御力を付加する第１フィードバック制御部（フィードバック制御手段）３９ａを有している。

さらに、コントローラ３９は、ハイパスフィルタ５７から出力された信号に基づいてベースプレート２５の変位を算出し、且つ、当該ベースプレート２５の変位に基づいて変位センサ３３からの信号を補正する信号制御部（信号制御手段）３９ｂを有している。

換言すると、本発明のフィードバック制御手段及び信号制御手段は、リニアモータ４７に電気信号を送るためのコントローラ３９で構成されている。これにより、空気ばねユニット５，５，…の空気ばね２１と、リニアモータ４７と、変位センサ３３と、第１加速度センサ３５と、コントローラ３９と、ハイパスフィルタ５７とによって、精密除振台１のアクティブ除振装置が構成されている。なお、図２には、空気ばねユニット５の上下方向の変位センサ３３、第１加速度センサ３５及びリニアモータ４７のみが示されているが、これ以外に水平方向の変位センサ、加速度センサ及びリニアモータも配設されており、下記の上下方向の制御と同様にして水平方向の制御も行われるようになっている。

次いで、第１フィードバック制御部３９ａによるリニアモータ４７の基本的な制御について、以下、説明の便宜のために上下方向の振動を低減する制御についてのみ、図３を参照して詳細に説明する。なお、図３においては、上下方向のリニアモータ４７の制御についてのみ示しているが、これと同様の制御は水平方向のリニアモータについても行われる。

図３は、第１フィードバック制御部３９ａ、ハイパスフィルタ５７及び信号制御部３９ｂによる上下方向のリニアモータ制御における物理的な現象を模式的に表したブロック図である。より詳しくは、このブロック図における符号Ａの部分は、ばね上重量Ｍの除振対象物が、減衰定数Ｃ且つばね定数Ｋの空気ばね２１によって支持されていることを表している。なお、空気ばね２１の減衰定数Ｃ及びばね定数Ｋは予め設定したり、測定により求めておくことができる値であり、また、ばね上重量Ｍは実際に精密装置を定盤７に搭載すれば決まる値である。

そして、ばね上重量Ｍの除振対象物を、減衰定数Ｃ且つばね定数Ｋの空気ばね２１によって支持した場合の振動伝達率は、
Ｘ／Ｘ_０＝（Ｃ・ｓ＋Ｋ）／（Ｍ・ｓ^２＋Ｃ・ｓ＋Ｋ） …（式１）
と表される。

また、図３における符号ＦＢ１の部分は、第１フィードバック制御部３９ａによる上下方向のフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を表している。なお、フィードバック操作量を決定する際に用いられる相対変位は、ベースプレート２５に対するトッププレート２７の距離ではなく、Ｘ及びＸ_０の初期値からの変動分の差であり、実際には、変位センサ３３から直接出力された値や、出力された信号に一定のずれであるＤＣ成分が含まれる場合には、そのＤＣ成分を差し引いた値を用いるが、以下便宜上（Ｘ−Ｘ_０）で表す。

そして、第１フィードバック制御部３９ａには、変位センサ３３から相対変位（Ｘ−Ｘ_０）が直接入力されるのではなく、信号制御部３９ｂによって、変位センサ３３により検出された相対変位（Ｘ−Ｘ_０）に、第１加速度センサ３５により検出されたベースプレート２５の加速度ｘ_０′′を２回積分して算出されたベースプレート２５の変位ｘ_０を加えた（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）が入力される。

このため、符号ＦＢ１の部分と符号４７とは、（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）に、比例制御ゲインＰを乗算し、また、（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）を１回積分して得られた値に積分制御ゲインＩを乗算し、また、（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）を１回微分して得られる値に微分制御ゲインＤを乗算して、フィードバック操作量Ｐ・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０），Ｉ・（Ｘ／ｓ−Ｘ_０／ｓ＋ｘ_０／ｓ），Ｄ・（Ｘ′−Ｘ_０′＋ｘ_０′）を決定し、かかるフィードバック操作量をリニアモータ４７を介して制御力として除振対象物に作用させることを表している。

ここで、第１フィードバック制御部３９ａによって決定されたフィードバック操作量は電流であり、リニアモータ４７は上述の如く電流を流せば力を発生することから、リニアモータ４７によって除振対象物に付加される制御力はフィードバック操作量Ｐ・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０），Ｉ・（Ｘ／ｓ−Ｘ_０／ｓ＋ｘ_０／ｓ），Ｄ・（Ｘ′−Ｘ_０′＋ｘ_０′）に比例することになる。そして、この比例定数をＫ_Ｌとし、ＰＩＤ制御則に従って得られたフィードバック操作量を、リニアモータ４７を介して作用させることにより、除振対象物に対して付加される制御力Ｆ_１は、以下のように表される。
Ｆ_１＝Ｋ_Ｌ・（Ｄ・ｓ＋Ｐ＋Ｉ／ｓ）・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）…（式２）
よって、第１フィードバック制御部３９ａによる上下方向のフィードバック制御を行った場合の除振対象物の運動方程式は、
（Ｍ・ｓ^２＋Ｃ・ｓ＋Ｋ）・Ｘ−（Ｃ・ｓ＋Ｋ）・Ｘ_０＋Ｆ_１＝０ …（式３）
と表される。

ここで、第１加速度センサ３５により検出されたベースプレート２５の加速度ｘ_０′′を積分する場合、センサ出力から重力加速度（０Ｈｚで１Ｇ）を取り除いて大幅に増幅する必要がある。また、この時電気回路にはＤＣオフセット成分が生じ、小さいＤＣオフセット成分が生じた場合にも、積分するとセンサ出力が無限大に大きくなり、制御用の数値として成り立たない。そこで、本発明のアクティブ除振装置では、ハイパスフィルタ５７は、第１加速度センサ３５からの信号から低周波数から高周波数に亘る周波数成分の信号を抽出するように設定されている。

これにより、例えば１Ｈｚ付近の低周波数域から１０Ｈｚ以上の高周波数域においては、第１加速度センサ３５からの信号は、ハイパスフィルタ５７によって抽出され、かかる信号から算出されたベースプレート２５の変位ｘ_０に基づいて変位センサ３３からの信号が補正される。具体的には、ベースプレート２５に対するトッププレート２７の相対変位Ｘ−Ｘ_０におけるＸ_０と、ベースプレート２５の変位ｘ_０とは、Ｘ_０＝ｘ_０という関係にあるので、変位センサ３３によって検出された相対変位Ｘ−Ｘ_０に、第１加速度センサ３５によって検出された加速度ｘ_０′′を２回積分して得られた変位ｘ_０を加えると、Ｘ_０が消去されて、除振対象物の変位Ｘだけが残ることになる。

この場合の振動伝達率は、
Ｘ／Ｘ_０＝（Ｃ・ｓ＋Ｋ）／｛Ｍ・ｓ^２＋（Ｃ＋Ｋ_Ｌ・Ｄ）・ｓ＋（Ｋ＋Ｋ_Ｌ・Ｐ）＋Ｋ_Ｌ・Ｉ／ｓ｝ …（式４）
と表される。

この（式４）と（式１）を比べれば明らかなように、低周波数域から高周波数域に亘っては、除振対象物の変位Ｘに比例制御ゲインＰと比例定数Ｋ_Ｌの積Ｋ_Ｌ・Ｐを乗じたものだけがフィードバックされて、スカイフックスプリングの効果を得ることができる。また、この場合には、スカイフックスプリングの効果により固有振動数が高くなるので、空気ばね２１の剛性が高くなる。また、変位を微分した速度Ｘ・ｓに微分制御ゲインＤと比例定数Ｋ_Ｌとの積Ｋ_Ｌ・Ｄを乗じたものがフィードバックされるので、スカイフックダンパの効果も得ることができる。

一方、例えば０Ｈｚ付近の極低周波数域においては、第１加速度センサ３５からの信号は、ハイパスフィルタ５７によって抽出され難いので、信号制御部３９ｂによる、変位センサ３３からの信号の補正量が小さくなり、（式２）でＸ_０が残ることになる。このため、主として相対変位Ｘ−Ｘ_０に基づいて、第１フィードバック制御部３９ａによる、トッププレート２７のベースプレート２５に対する相対位置を一定に保つような制御が行われる。

これらにより、本実施形態の精密除振台１においては、スカイフックスプリングの効果により、低周波数域から高周波数域に亘って除振性能を向上させることが可能となるとともに、極低周波数域では除振対象物の基礎構造部３に対する相対位置を一定に保つことが可能となる。

加えて、本実施形態では、除振対象物の加速度を検出するための加速度センサを用いることなく、第１加速度センサ３５により得られた床の変位Ｘ_０と変位センサ３３により得られた相対変位Ｘ−Ｘ_０に基づいて、除振対象物の変位Ｘや速度Ｘ′を求めることができる。したがって、従来、変位センサ、床の加速度センサ及び除振対象物の加速度センサを用いて、変位のフィードバック、除振対象物の振動のフィードバック及び床振動のフィードフォワードを行っていたが、変位センサ３３及び床の第１加速度センサ３５だけを用いて同様の制御を行うことが可能となる。

ここで、本実施形態におけるスカイフックスプリングによる効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を、図４に示す。図４は、周波数と振動伝達率との関係を対数目盛で表した、シミュレーション結果を示すグラフ図であり、図中の実線は本実施形態に係るアクティブ除振装置の振動伝達率を、破線はパッシブ除振装置の振動伝達率を、一点鎖線は位置制御のみを行う（Ｐ・（Ｘ−Ｘ_０）をフィードバックする）アクティブ除振装置の振動伝達率を、二点鎖線は位置制御及び変位のフィードバック制御を行う（Ｐ・（Ｘ−Ｘ_０）＋Ｇ_ｋ・Ｘをフィードバックする）アクティブ除振装置の振動伝達率をそれぞれ示すものである。

同図より、位置制御のみを行うアクティブ除振装置では、パッシブ除振装置と比較して、固有振動数が高くなり、１０Ｈｚ付近の高周波数域において除振性能が極めて悪化することが分かる。また、位置制御に加えてスカイフックスプリングの効果を狙って変位のフィードバック制御を行うアクティブ除振装置では、固有振動数がさらに高くなり、１Ｈｚ付近の低周波数域においては振動伝達率が１未満となるものの、１０Ｈｚ付近の高周波数域における除振性能が極めて悪化することが分かる。

これに対し、本実施形態に係るアクティブ除振装置では、固有振動数よりも低い１Ｈｚ付近の低周波数域において、スカイフックスプリングの効果により振動伝達率が概ね−１０ｄＢよりも小さくなっているのみならず、１０Ｈｚ付近の高周波数域においてもパッシブ除振装置と同等の除振性能が得られることが分かる。さらに、図示していないが、微分制御ゲインＤのフィードバックを加えれば、スカイフックダンパの効果により、固有振動数付近の除振性能が向上する。

なお、０．１Ｈｚにおいて、振動伝達率が１（０ｄＢ）に近づいているのは、第１加速度センサ３５のＤＣ成分をカットする際に用いるハイパスフィルタ５７の影響のためである。すなわち、本実施形態のハイパスフィルタ５７は、第１加速度センサ３５からの信号から低周波数から高周波数に亘る周波数成分の信号を抽出することから、極低周波数である０Ｈｚに向かうほど除振対象物と基礎との相対変位を一定に保つ制御を意図し、その結果、振動伝達率が０ｄＢに近づくためである。

以上により、本実施形態のアクティブ除振装置によれば、位置制御を行いながらも、スカイフックスプリングの効果により、除振性能が向上することが確認できた。

（実施形態２）
本実施形態は、リニアモータ４７ではなく空気ばね２１を制御力を付加するためのアクチュエータとして用いる点が実施形態１と異なるものである。以下、実施形態１と異なる点について説明する。

図５は、本発明の実施形態２に係る精密除振台１における空気ばねユニット５を示す。

図５に示すように、各空気ばね２１は配管４３を介してそれぞれサーボ弁４１に接続されており、当該サーボ弁４１がコントローラ３９からの制御信号を受けて開閉作動することにより、各空気ばねユニット５毎の空気ばね２１に対する空気の給排流量が調整されて、当該空気ばね２１の空気圧が速やかに変更されるようになっている。換言すると、空気ばね２１は、当該空気ばね２１の圧力状態を調整するためのサーボ弁４１の制御により、除振対象物に対して制御振動（制御力）を付加するためのアクチュエータとして用いられている。このように、空気ばね２１をアクチュエータとして利用することで、上記実施形態１のようにリニアモータ４７を別途設ける必要がなくなり、しかも、空気ばね２１の特性として比較的大きな力を容易に得ることができる。

なお、サーボ弁４１は、圧搾空気を貯留するリザーバタンク４５に接続され、このリザーバタンク４５には図示しない電動ポンプが接続されていて、この電動ポンプの作動によりリザーバタンク４５内の空気圧が所定値に維持されるようになっている。また、図５には、空気ばねユニット５の上下方向の変位センサ３３及び第１加速度センサ３５のみが示されているが、これ以外に水平方向の変位センサ及び加速度センサ、並びに、水平方向のアクチュエータである水平方向の空気ばね及びこれを制御するためにサーボ弁も配設されており、以下に述べる上下方向の制御と同様にして水平方向の制御も行われるようになっている。

コントローラ３９は、ベースプレート２５に対するトッププレート２７の相対変位Ｘ−Ｘ_０に基づいて、フィードバック操作量を決定し、当該決定されたフィードバック操作量に基づいてサーボ弁４１を作動させることにより、空気ばね２１の空気室２１ａの空気圧を調整する第１フィードバック制御部３９ａを有している。この第１フィードバック制御部３９ａによる空気ばね２１の基本的な制御について、以下、説明の便宜のために上下方向の振動を低減する制御についてのみ、図６を参照して詳細に説明する。

図６は、第１フィードバック制御部３９ａ、ハイパスフィルタ５７及び信号制御部３９ｂによる上下方向の空圧制御における物理的な現象を模式的に表したブロック図である。上述の如く、符号Ａの部分は、除振対象物が空気ばね２１によって支持されていることを表している。

また、符号ＦＢ１’の部分と符号４１とは、除振対象物に対して、第１フィードバック制御部３９ａで決定されたフィードバック操作量に（１＋Ｔ_Ｖ・ｓ）／（Ｋ_Ｖ・Ａ_ｍ）を乗算して得られた値を、その特性がＫ_Ｖ・Ａ_ｍ／（１＋Ｔ_Ｖ・ｓ）で表されるサーボ弁４１を介して作用させていることを示している。ここで、Ｋ_Ｖはサーボ弁４１のゲインであり、Ｔ_Ｖは時定数であり、Ａ_ｍは空気ばね２１の受圧面積である。

これについて詳述すると、フィードバック操作量（Ｄ・ｓ＋Ｐ＋Ｉ／ｓ）・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）は上記実施形態１と同様電流であるが、制御力がフィードバック操作量に比例するリニアモータ４７と異なり、空気ばね２１の場合には、フィードバック操作量（Ｄ・ｓ＋Ｐ＋Ｉ／ｓ）・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）によってサーボ弁４１を制御することで、空気ばね２１の空気室２１ａに対し空気の出し入れを行い、圧力を変更することで除振対象物に対して制御力を付加するようになっている。このため、本実施形態のようにアクチュエータとして空気ばね２１を利用する場合、フィードバック操作量（Ｄ・ｓ＋Ｐ＋Ｉ／ｓ）・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）に比例するのはサーボ弁４１の開度であり、空気ばね２１の内圧はフィードバック操作量（Ｄ・ｓ＋Ｐ＋Ｉ／ｓ）・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）の近似積分に比例することになるから、フィードバック操作量（Ｄ・ｓ＋Ｐ＋Ｉ／ｓ）・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）と制御力とは、比例関係になく一次遅れの関係にある。

そうして、かかるフィードバック操作量（Ｄ・ｓ＋Ｐ＋Ｉ／ｓ）・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）をそのまま用いると、一次遅れ要素であるＫ_Ｖ・Ａ_ｍ／（１＋Ｔ_Ｖ・ｓ）によって近似積分されることから、たとえ信号制御部によってＸ_０とｘ_０とが打ち消されたとしても、結果的にＸを積分したものに比例する制御力が発生することになり、スカイフックスプリングの効果が得られないという問題がある。

これを避けるために、本実施形態の精密除振台１では、第１フィードバック制御部３９ａによって決定されたフィードバック操作量と、サーボ弁４１によって発生する力とが比例関係になるように、当該フィードバック操作量を補正するための補償器（補償手段）５９を備えている。この補償器５９は、具体的には、サーボ弁４１の特性の逆数をフィードバック操作量（Ｄ・ｓ＋Ｐ＋Ｉ／ｓ）・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）に乗算して、サーボ弁４１による近似積分の効果を打ち消すような補償を行う。これにより、空気ばね２１によって除振対象物に付加される制御力は、一次遅れの関係になることなく、フィードバック操作量（Ｄ・ｓ＋Ｐ＋Ｉ／ｓ）・（Ｘ−Ｘ_０＋ｘ_０）に比例することになる。

これらにより、第１フィードバック制御部３９ａによる上下方向のフィードバック制御を行った場合のアクティブ除振装置の振動伝達率は、
Ｘ／Ｘ_０＝（Ｃ・ｓ＋Ｋ）／｛Ｍ・ｓ^２＋（Ｃ＋Ｄ）・ｓ＋（Ｋ＋Ｐ）＋Ｉ／ｓ｝ …（式５）
と表される。

（式５）と（式４）とを比べれば明らかなように、空圧制御の場合の振動伝達率と、リニアモータ制御の場合の振動伝達率との違いは、各制御ゲインに比例定数Ｋ_Ｌが乗算されているか否かだけであるから、空圧制御の場合にも、各制御ゲインを調整することで、上記実施形態１と同様、高い除振性能を得ることができる。

なお、本実施形態では、サーボ弁４１の特性の逆数を含む補償器５９を用いたが、ラプラス変換領域では微分と積分とは逆数の関係にあるところ、一次遅れの逆数はその分子にラプラス演算子を含み（微分となり）不安定となるので、これを回避するために、高いカットオフ周波数を有する一次遅れ要素（二次遅れ要素でもよい）等、例えば、ローパスフィルタを補償器５９に加えてもよい。

ここで、本実施形態におけるスカイフックスプリングによる効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を、図７に示す。図７は、周波数と振動伝達率との関係を対数目盛で表した、シミュレーション結果を示すグラフ図であり、図中の実線は本実施形態に係るアクティブ除振装置の振動伝達率を、破線はパッシブ除振装置の振動伝達率を、一点鎖線は本実施形態から補償器５９を取り除いたアクティブ除振装置の振動伝達率をそれぞれ示すものである。

同図より、本実施形態から補償器を取り除いたアクティブ除振装置では、スカイフックスプリングの効果が得られるＸに比例する制御力ではなく、Ｘを積分したものに比例する制御力が付加されることから、パッシブ除振装置の場合とほとんど変わらない結果しか得られず、スカイフックスプリングの効果による振動伝達率の低下は見られない。なお、０．１Ｈｚにおいて、振動伝達率が低下しているのは、サーボ弁４１への操作量と空気による制御力とを一次遅れとおき、低い周波数では両者が比例することから、スカイフックスプリングの効果が現れたためである。

これに対し、本実施形態に係るアクティブ除振装置では、実施形態１と同様、固有振動数よりも低い１Ｈｚ付近の低周波数域において、スカイフックスプリングの効果により振動伝達率が概ね−１０ｄＢよりも小さくなっているのみならず、１０Ｈｚ付近の高周波数域においてもパッシブ除振装置と同等の除振性能が得られることが分かる。さらに、図示していないが、微分制御ゲインＤのフィードバックを加えれば、スカイフックダンパの効果により、固有振動数付近の除振性能が向上する。

以上により、本実施形態の精密除振台１によれば、サーボ弁４１を用いた場合にも、スカイフックスプリングの効果により、除振性能が向上することが確認できた。

（実施形態３）
本実施形態は、第２加速度センサ３７を備えている点、並びに、変位のフィードバック制御のみならず、フィードフォワード制御及び速度のフィードバック制御を行う点が実施形態２と異なるものである。以下、実施形態２と異なる点について説明する。

図８は、本発明の実施形態３に係る精密除振台１における空気ばねユニット５を示す。図８に模式的に示すように、空気ばねユニット５には、除振対象物の振動状態、具体的には、トッププレート２７の振動状態を検出する第２加速度センサ３７が設けられている。そうして、変位センサ３３、第１加速度センサ３５及び第２加速度センサ３７からの出力信号がそれぞれコントローラ３９に入力されるようになっている。なお、図８においては、空気ばねユニット５の上下方向の第２加速度センサ３７のみが示されているが、これ以外に水平方向の第２加速度センサも配設されており、以下に述べる上下方向の制御と同様にして水平方向の制御も行われる。

コントローラ３９は、第２加速度センサ３７によって検出された除振対象物の加速度に基づいて、フィードバック操作量を決定し、当該決定されたフィードバック操作量に基づいてサーボ弁４１を作動させることにより、空気ばね２１の空気室２１ａの空気圧を調整する第２フィードバック制御部３９ｃと、第１加速度センサ３５によって検出されたベースプレート２５の加速度（基礎構造部３の振動状態）に基づいてフィードフォワード操作量を決定し、基礎構造部３から空気ばね２１を通して除振対象物に伝わる振動を低減するような制御力を付加するフィードフォワード制御部３９ｄとを有している。これら第２フィードバック制御部３９ｃ及びフィードフォワード制御部３９ｄによるサーボ弁４１の基本的な制御について、以下、説明の便宜のために上下方向の振動を低減する制御についてのみ、図９を参照して詳細に説明する。

図９は、図６に加え、第２フィードバック制御部３９ｃ及びフィードフォワード制御部３９ｄによる上下方向の空圧制御における物理的な現象を模式的に表したブロック図である。

図９における符号ＦＢ２の部分は、除振対象物の上下方向加速度Ｘ′′を１回微分して得られるＸ′′′にフィードバック制御ゲインＧ_ｍを乗算し、また、加速度Ｘ′′にフィードバック制御ゲインＧ_ｃを乗算して得られたフィードバック操作量Ｇ_ｍ・Ｘ′′′、Ｇ_ｃ・Ｘ′′を、サーボ弁４１を介して、かかる除振対象物に制御力として作用させることを表している。そうして、制御力が付加された後の除振対象物の振動状態（加速度Ｘ′′）は、当該除振対象物及び空気ばね２１などからなる制御対象から再びフィードバックされる。

一方、図９における符号ＦＦの部分は、フィードフォワード制御部３９ｄによる上下方向のフィードフォワード制御を、具体的には、第１加速度センサ３５からの信号に基づいて、基礎構造部３から除振対象物へ伝達する振動を推定し、この振動と略同じ振幅で略逆位相の制御力を除振対象物に作用させることを表している。なお、フィードフォワード制御部３９ｄにおいても、フィードフォワード操作量がサーボ弁４１の特性である一次遅れ要素Ｋ_Ｖ・Ａ_ｍ／（１＋Ｔ_Ｖ・ｓ）によって近似積分されるのを避けるために、サーボ弁４１の特性の逆数をフィードフォワード操作量に乗算している。

このアクティブ振動制御装置によれば、第２フィードバック制御部３９ｃによる速度のフィードバックによって所謂スカイフックダンパの効果が得られ、高周波数域での除振性能を損なうことなく共振倍率を低下させることができるとともに、フィードフォワード制御部３９ｄによって除振性能をさらに向上させることができる。

ここで、本実施形態のアクティブ除振装置による効果を確認するために行ったシミュレーションの結果を、図１０に示す。図１０は、周波数と振動伝達率との関係を対数目盛で表した、シミュレーション結果を示すグラフ図であり、図中の実線は本実施形態の（フィードフォワード制御及び速度のフィードバック制御を付加した）アクティブ除振装置の振動伝達率を、破線はパッシブ除振装置の振動伝達率を、一点鎖線は実施形態２のアクティブ除振装置の振動伝達率を、二点鎖線は実施形態２のアクティブ除振装置に速度のフィードバック制御を付加したものの振動伝達率をそれぞれ示すものである。

なお、本実施形態のアクティブ除振装置の効果と、実施形態２のアクティブ除振装置に速度のフィードバック制御を付加したものの効果との差を明確にするために、本シミュレーションにおける本実施形態のアクティブ除振装置では、加速度のフィードバック制御を付加していない（フィードバック操作量Ｇ_ｍ・Ｘ′′′を、制御力として作用させていない）。

同図より、実施形態２のものに速度のフィードバック制御を付加したアクティブ除振装置では、スカイフックダンパの効果により、高周波数域での除振性能を損なうことなく共振倍率を低下することが分かる。また、速度のフィードバック制御及びフィードフォワード制御を付加した本実施形態に係るアクティブ除振装置では、全周波数域で極めて高い除振性能が得られることが分かる。

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

上記実施形態１では、ばね要素として、空気ばね２１を用いたが、これに限らず、例えば、コイルばねを用いてもよい。

また、上記実施形態３では、コントローラ３９により振動低減のためにフィードフォワード制御及びフィードバック制御の両方を行うようにしているが、これに限らず、例えばフィードフォワード制御は行わないようにしてもよい。この場合でも、図１０に示したように、高周波数域での除振性能を損なうことなく共振倍率を低下することができる。

さらに、アクチュエータとして、上記実施形態１ではリニアモータ４７を、また上記実施形態２では空気ばね２１をそれぞれ用いたが、これに限らず、例えば圧電素子などのアクチュエータを用いてもよい。

また、上記各実施形態では、位置制御にＰＩＤ制御を用いたが、本発明の構成は、ＰＩＤ制御に限らず、位置制御として相対変位をフィードバックする場合には有効である。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明は、精密機器を床振動から概ね絶縁した状態で設置するためのアクティブ除振装置等について有用である。

３ 基礎構造部（基礎）
２１ 空気ばね（気体ばね（ばね要素）（アクチュエータ））
３３ 変位センサ
３５ 第１加速度センサ（加速度センサ）
３９ａ 第１フィードバック制御部（フィードバック制御手段）
３９ｂ 信号制御部（信号制御手段）
４１ サーボ弁
４７ リニアモータ（アクチュエータ）
５７ ハイパスフィルタ
５９ 補償器（補償手段）

Claims (2)

1. 除振対象物を床上に設置される基礎に対して支持するばね要素と、当該除振対象物と当該基礎との相対変位を検出するための変位センサと、当該変位センサからの信号に基づいてフィードバック操作量を決定してアクチュエータを駆動し、当該除振対象物に制御力を付加するフィードバック制御手段と、を備えたアクティブ除振装置であって、
   上記基礎の加速度を検出するための加速度センサと、
   上記加速度センサからの信号から所定の周波数以上の周波数成分の信号を抽出するためのハイパスフィルタと、
   上記ハイパスフィルタから出力された信号に基づいて基礎の変位を算出し、且つ、当該基礎の変位と、上記変位センサからの信号に基づいて算出された上記除振対象物と上記基礎との相対変位と、によって上記除振対象物の変位を求める信号制御手段と、をさらに備え、
   上記フィードバック制御手段は、
   上記所定の周波数以上の周波数域においては、上記信号制御手段によって求められた上記除振対象物の変位に基づいてフィードバック制御を行う一方、
   上記所定の周波数未満の周波数域においては、上記変位センサからの信号に基づいて算出された上記除振対象物と上記基礎との相対変位に基づいて該除振対象物の該基礎に対する相対変位を一定に保つようなフィードバック制御を行うことを特徴とするアクティブ除振装置。
2. 請求項１記載のアクティブ除振装置において、
   上記ばね要素は気体ばねであり、
   上記気体ばねは、当該気体ばねの圧力状態を調整するためのサーボ弁の制御により、制御力を付加するための上記アクチュエータとしても用いられ、
   上記フィードバック制御手段によって決定されたフィードバック操作量と、上記サーボ弁によって発生する力とが比例関係になるように、当該フィードバック操作量を補正するための補償手段と、をさらに備えていることを特徴とするアクティブ除振装置。

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