JP6556196B2 - アクティブ除振装置 - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、アクティブ除振装置に関する。

従来、半導体や液晶パネルなど、各種精密機器の製造装置においては、正確かつ高速な位置決めを実現するべく、その製造対象を可動式のステージ上に搭載することが広く知られている（例えば特許文献１を参照）。

一般に、ステージ上の搭載物は、製造途中の精密機器であるため振動を嫌う。そこで、前記特許文献１には、床からの振動の伝達を可能な限り抑えるべく、アクティブタイプの除振装置を用いることが開示されている。

すなわち、前記特許文献１には、可動式のステージと、そのステージを支持する除振台定盤と、定盤に対し、その振動を抑えるような制御力を付与するサーボ弁と、定盤に設けられた振動センサ（加速度センサ）と、を備えたアクティブ除振装置が記載されている。このアクティブ除振装置は、振動センサからの信号に基づいてアクチュエータをフィードバック制御するように構成されている。

さらに、前記特許文献１には、床から伝達する振動ばかりでなく、ステージの移動に伴い生じる振動も抑えるべく、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も行うことが開示されている。

ここで、ステージの移動に伴い生じる振動には、ステージに付与される推力に応じて除振台が受ける反力に起因するものと、その反力に係る回転力に起因するものとが存在している。反力に起因した振動を抑えるためには、例えば、ステージに付与される加速度を取得することが求められる。

一方、回転力に起因した振動を抑えるには、ステージの位置と、ステージの移動に伴い除振台が受ける反力とを組み合わせた制御が必要になる。より優れた制振性能を実現するためには、回転力に起因した振動も抑えることが要求される。

そこで、特許文献１に記載されたアクティブ除振装置は、ステージ（移動物）の位置と加速度を推定演算し、それらの推定結果を反映したフィードフォワード制御を行うことで、除振台が受ける反力に起因した振動と、回転力に起因した振動とを抑えるように構成されている。

特許第４９７０９０４号公報

ところで、前記特許文献１に係るアクティブ除振装置を実施する場合、ステージの位置及び加速度を推定するための方策としては、例えば、ステージの制御に係る情報を用いることが考えられる。

ここで、ステージの位置に関しては、位置センサから入力される信号に基づいたフィードバック制御を行うのが一般的である。そのため、そのフィードバック制御に用いられる目標値を推定値とすることで、より正確な推定を行うことができる。

対して、ステージの加速度に関しては、製造コストの抑制等の事情から、加速度センサを使用しないのが通例である。つまり、この加速度に関しては、フィードバック制御を行わないのが一般的である。ここで、加速度の推定値として、例えばステージの制御に係る情報に基づき計算された目標値を用いることが考えられるが、ステージが受ける摩擦力などを考慮すると、加速度の実測値とのズレが懸念される。そのようなズレは、通常、フィードバック制御を通じて解消されるところ、既に説明したように、ステージの加速度に関してはフィードバック制御を行わないため、そのようなズレが残ったままとなる。

このように、加速度の推定値と、その実際の値との間にズレが存在してしまうと、より精密な制御を実現する上で不都合となる。こうした状況は、アクティブ除振装置の制振性能を高める上で望ましくない。

ここに開示する技術は、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、可動式のステージを備えたアクティブ除振装置において、優れた制振性能を実現することにある。

ここに開示する技術は、アクティブ除振装置に係る。この装置は、推力を受けて移動することにより、搭載物の位置決めを行うステージと、前記ステージを支持する除振台と、前記除振台に対し、その振動を抑えるような制御力を付与するアクチュエータと、前記ステージの移動軌跡上における位置、及び、その移動に際して前記ステージが実際に受ける推力を取得するステージ状態取得部と、前記ステージ状態取得部による取得内容に基づいて、前記ステージの移動に伴って前記除振台に生じる振動に見合う制御力となるように、前記アクチュエータを制御する制御部と、を備える。

この構成によれば、例えば半導体のような精密機器を搭載したステージが移動するときに、その移動軌跡上における位置と、その移動に際してステージが実際に受ける推力とに基づいて、ステージの移動に伴って除振台に生じる振動を抑えるよう、アクチュエータを制御する。すなわち、ステージの加速度に代えて、ステージが受ける実際の推力を参照する。実際の推力には、ステージが受ける摩擦力などが反映されるようになるから、より精密な制御を実現し、ひいては優れた制振性能を実現することが可能となる。

しかも、ステージが実際に受ける推力と、ステージの位置とを組み合わせた制御とすることで、除振台が受ける回転力に起因した振動を抑えることが可能になる。このこともまた、優れた制振性能を実現する上で有効となる。

かくして、前記の構成によれば、ステージが受ける実際の推力と、ステージの位置とを組み合わせた制御を行うことで、優れた制振性能を実現することができる。

また、前記ステージに対して推力を付与する第２のアクチュエータと、前記第２のアクチュエータに対して制御信号を入力することにより、該制御信号に応じた推力を発生させる第２の制御部と、を備え、前記ステージ状態取得部は、前記第２の制御部から出力される制御信号に基づいて、前記ステージが受ける推力をリアルタイムで取得する、としてもよい。

ステージを制御する際には、除振台とは独立した制御系を用いる場合がある。

前記の構成によれば、ステージの移動に用いる制御信号のうち、ステージが受ける推力に対応する制御信号を流用する。これにより、ステージ状態取得部は、ステージが受ける推力をゼロから算出せずとも、速やかに且つ確実に取得することが可能になる。

また、ここに開示する別の技術は、アクティブ除振装置に係る。この装置は、推力を受けて移動することにより、搭載物の位置決めを行うステージと、前記ステージを支持する除振台と、前記除振台に対し、その振動を抑えるような制御力を付与するアクチュエータと、前記ステージの移動軌跡上における位置、及び、その移動に際して前記ステージが受けると推定される推力を取得するステージ状態取得部と、前記ステージ状態取得部による取得内容に基づいて、前記ステージの移動に伴って前記除振台に生じる振動に見合う制御力となるように、前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、前記ステージ状態取得部は、前記ステージが受ける動摩擦力に基づいて、前記ステージが受ける推力を事前に取得する。

この構成によれば、ステージが受けるであろうと推定される推力と、ステージの位置とを組み合わせた制御を行うことで、優れた制振性能を実現することができる。

また、前記の構成によれば、ステージが受ける推力を事前に算出し、その算出結果に基づきアクチュエータを制御する。このような制御を行うと、例えば空圧式のアクチュエータを制御するように構成した場合など、その応答遅れが懸念されるときに、ステージの移動制御よりも早いタイミングでアクチュエータを制御することが可能となる。そのことで、ステージの移動によって揺れが生じるのに間に合うよう、除振台に制御力を付与することができる。

つまり、ステージの制御情報に基づいて、それが実際に移動する前に推力等を推定して、適切な制御を行うことができ、空圧式のアクチュエータのような応答遅れの大きな構成とした場合であっても、除振台が揺れようとするときに遅れなく制御力を付与して、揺れを十分に抑制することができる。

また、前記制御部は、前記ステージ状態取得部による取得内容に基づいて、前記ステージの移動に伴って前記除振台が受ける回転力に起因した振動に見合う制御力となるように、前記アクチュエータを制御する、としてもよい。

この構成によれば、ステージを移動させる際に除振台が受ける回転力によって発生する揺れを、十分に抑制することができる。

以上説明したように、前記のアクティブ除振装置によると、可動式のステージを備えたアクティブ除振装置において、優れた制振性能を実現することができる。

図１は、アクティブ除振装置の概略構成を示す図である。 図２は、ステージに関する制御の構成を示すブロック図である。 図３は、除振台に関する制御の構成を示すブロック図である。 図４の上図はステージの加速度指令値を示し、下図は、その移動に伴って生じるステージの位置の目標値と、実測値との差（位置偏差）を示す説明図である。 図５は、図４の下図の囲み部を拡大して示す説明図である。 図６は、ステージが受ける実際の推力と、その推力を事前に推定した上でチューニングを施した値との関係を例示する説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は例示である。

《第１の実施形態》
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

−アクティブ除振装置の全体構成−
図１は、実施形態に係るアクティブ除振装置Ａ（以下、「除振装置」と呼称する）の概略構成を示す図である。また、図２は、除振装置Ａのステージ４に関する制御の構成を示すブロック図であり、図３は、除振装置Ａの除振台１に関する制御の構成を示すブロック図である。

除振装置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を除振台１の上に搭載するようになっている。ここで、装置Ｄは、シリコンウエハなど、各種の搭載物Ｓを可動式のステージ４によって支持するものであり、そのステージ４を適切に移動させることにより、ステージ４上の搭載物Ｓを正確かつ高速に位置決めするようになっている。

一般に、ステージ４上の搭載物Ｓは、製造途中の精密機器であるため振動を嫌う。そこで、この除振装置Ａは、床からの振動の伝達を可能な限り抑えるべく、アクティブタイプの除振装置として構成されている。

具体的に、本実施形態に係る除振装置Ａは、推力を受けて移動することにより、搭載物Ｓの位置決めを行うステージ４と、ステージ４を支持する除振台１と、除振台１に対し、その振動を抑えるような制御力を付与するサーボ弁２４と、を備えている。

以下、各部の構成について詳細に説明する。

ステージ４は、装置Ｄの本体３の上に配設されており、本構成例ではボールねじ機構によって、所定の移動軌跡（この例では水平方向を指す）に沿って移動可能な支持台となっている。ステージ４上には、前述の搭載物Ｓが支持されている。また、ステージ４の案内機構としては、ボールねじ機構に限られない。例えば、いわゆるリニアガイドや空気静圧ガイドを用いてもよい。

この構成例においては、前述のボールねじ機構は、ステージ４内に設けられた内ネジ部（不図示）に螺合すると共に、ステージ４を貫いて水平に延びるネジ棒（不図示）と、このネジ棒に駆動連結されたリニアモータ３１（図２にのみ図示）とから構成されている。リニアモータ３１がネジ棒を回転させることにより、ステージ４は、ネジ棒が延びる方向に沿って移動する。この実施形態では、リニアモータ３１の駆動を制御することにより、ステージ４に対して水平方向の推力を付与し、そのことで、搭載装置Ｄにおけるステージ４の位置決めを実現するように構成されている。尚、リニアモータ３１は、「第２のアクチュエータ」の例示である。また、ボールねじ機構の代わりにリニアガイドや空気静圧ガイドを用いた場合、リニアモータ３１において回転型モータではなく直動型モータを用いることができる。

そのために、ステージ４付近には、移動軌跡上におけるステージ４の位置（搭載装置Ｄにおけるステージ４の変位に相当）と、ステージ４が実際に受ける推力とをそれぞれ検出するためのステージ位置センサＳ４及びステージ推力センサＳ５が付設されている。これら各センサＳ４〜Ｓ５からの出力信号がそれぞれステージコントローラ５に入力されるようになっている。尚、ステージコントローラ５は、「第２の制御部」の例示である。

除振台１は、いわゆる定盤として構成されており、複数（通常は４個であるが、３個以上であればよい）の空気ばねユニット２，２，…によって下方から弾性的に支持されている。除振台１の上には、装置Ｄの本体３が配設されている。このことは、除振台１が、本体３を介してステージ４を支持していることに等しい。

詳しくは、複数の空気ばねユニット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、床面等に配置されて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、除振装置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、除振台１に対して振動を減殺するような制御力を付与するようになっている。

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除振台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Ｓ１及び変位センサＳ２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Ｓ３も設けられており、それら各センサＳ１〜Ｓ３からの出力信号がそれぞれコントローラ６に入力されるようになっている。さらに、図の例では、前述のステージ位置センサＳ４及びステージ推力センサＳ５からの出力信号（位置実測値，推力実測値）もコントローラ６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流量及び排気流量を調整することができる。そして、前記のようにセンサＳ１〜Ｓ４から入力される信号等に基づいて、コントローラ６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流量及び排気流量を調整することで、空気ばねの内圧を調整する。そして、後述の如く、除振台１及び搭載装置Ｄの振動を抑えるようになっている。尚、サーボ弁２４は、「アクチュエータ」の例示である。

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Ｓ１，Ｓ３や変位センサＳ２、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２，２，…を除振台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、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もうけたりして、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。

−ステージに関する制御−
次に、リニアモータ３１を介したステージ４の制御について具体的に説明する。

図２に示すように、リニアモータ３１への入力は、主に、ステージ位置センサＳ４からの信号に基づいてステージ位置フィードバック制御部５ａにより演算される位置ＦＢ操作量と、ステージ推力センサＳ５からの信号に基づいてステージ推力フィードバック制御部５ｂにより演算される推力ＦＢ操作量と、からなる。

ステージ位置フィードバック制御部５ａは、ステージ位置センサＳ４の検出値、即ち移動軌跡上におけるステージ４の実際の位置（位置実測値）に基づいて、その位置検出値が所定の目標値（以下、「位置指令値」ともいう）に収束するようにリニアモータ３１を作動させるものである。例えば、位置実測値、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、それらを足し合せた後に位置指令値から減算して、リニアモータ３１への制御入力とすればよい。

また、ステージ推力フィードバック制御部５ｂは、ステージ推力センサＳ５の検出値、即ち、その移動に際してステージ４が実際に受ける推力（推力実測値）に基づいて、その推力実測値が所定の目標値（以下、「推力指令値」ともいう）に収束するようにリニアモータ３１を作動させるものである。例えば、推力実測値、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、それらを足し合せた後に推力指令値から減算して、リニアモータ３１への制御入力とすればよい。

尚、ステージ推力センサＳ５を用いた構成に代えて、例えばリニアモータ３１に入力される電流を検出すると共に、その電流に対してフィードバック制御を行うように構成してもよい。このように、ステージ推力センサＳ５を用いずとも、推力に関連する物理量（例えば、電流の大きさなど、推力の大きさに比例する物理量）を介して推力を間接的に制御してもよい。

この構成例では、ステージコントローラ５は、位置ＦＢ操作量と推力ＦＢ操作量に応じて決定された電気的な制御信号をリニアモータ３１に入力する。リニアモータ３１は、その制御信号の強さ、つまり制御信号を電流とみなしたときの強弱に応じて、ステージ４に付与する推力の大きさを調整する。すなわち、制御信号が強くなるほど、リニアモータ３１が前述のネジ棒に付与するトルクが大きくなって、それに応じて、ステージ４が受ける推力も大きくなる。その際、推力実測値がステージ推力センサＳ５によって検出されて、ステージコントローラ５にフィードバックされる。

こうして、推力をフィードバックすると、実際の推力を示す信号、即ち推力実測値には、ステージ４が受ける摩擦の影響などが反映されることとなる。

また、リニアモータ３１は、制御信号が示す回転数だけ回転し、現状の回転状態、即ち位置実測値がステージ位置センサＳ４によって検出されて、ステージコントローラ５にフィードバックされる。

−除振台に関する制御−
次に、サーボ弁２４を介した除振台１の制御について具体的に説明する。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３に示すように、サーボ弁２４への入力は、主に、加速度センサＳ１からの信号に基づいて除振フィードバック制御部６ａにより演算される除振ＦＢ操作量と、変位センサＳ２からの出力に基づいて制振フィードバック制御部６ｂにより演算される制振ＦＢ操作量と、加速度センサＳ３からの信号に基づいて除振フィードフォワード制御部６ｃにより演算される除振ＦＦ操作量と、からなる。

除振フィードバック制御部６ａは、加速度センサＳ１の検出値、即ち除振台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６ｂは、変位センサＳ２の検出値、即ち除振台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、該除振台１の傾きやこれにより発生する揺れを抑えるものである。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６ｃは、加速度センサＳ３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、例えばディ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。このディジタルフィルタの特性は、床振動が空気ばねユニット２を介して除振台１に伝わるときの伝達関数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）を用いて、−Ｈ（ｓ）・Ｋ（ｓ）^―１として表される。

そして、前述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、除振対象物である除振台１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、つまり、ステージ４の移動に伴って除振台１に生じる振動（揺れ）については、前述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を行うことで、除振台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。

そこで、この構成例では、ステージ４の移動に伴い生じる振動を早いタイミングで抑えるべく、前記のような制振フィードバック制御に加えて、制振フィードフォワード制御も行うように構成されている。

ところで、ステージ４の移動に伴い生じる振動には、ステージ４に付与される推力に応じて除振台１が受ける反力に起因するものと、その反力に係る回転力に起因するものとが存在している。そのため、例えばステージ４の位置だけでは、両方の振動を同時に抑えるには不都合である。

そこで、ステージ４の位置と加速度を推定演算し、それらの推定結果を反映した制振フィードフォワード制御を行うことで、反力に起因する振動と、回転力に起因する振動との両方を同時に抑えることが考えられる。

ここで、ステージ４の位置と加速度を推定するための方策としては、例えば、ステージ４の制御に係る目標値（指令値）を流用することが考えられる。ステージ４の位置に関しては、ステージ位置フィードバック制御部５ａにおいて用いられる信号（位置指令値を示す信号）を流用することが考えられる。

対して、ステージ４の加速度に関しては、製造コストの抑制等の事情から、加速度センサを使用しないのが通例である。つまり、この加速度に関しては、フィードバック制御を行わないのが一般的である。ここで、加速度の推定値として、例えばステージ４の制御に係る情報に基づき計算された目標値を用いることが考えられるが、ステージ４が摩擦力を受ける分だけ、加速度の実測値とのズレが懸念される。そのようなズレは、通常、フィードバック制御を通じて解消されるところ、既に説明したように、ステージ４の加速度に関してはフィードバック制御を行わないため、そのようなズレが残ったままとなる。

このように、加速度の推定値と、その実際の値との間にズレが存在してしまうと、より精密な制御を実現する上で不都合となる。こうした状況は、除振装置Ａの制振性能を高める上で望ましくない。

そこで、この構成例では、本発明の特徴部分として、ステージ４の加速度に代えて、ステージ４が受ける実際の推力を参照することにより、ステージ４の実測位置と組み合わせて操作量（制振ＦＦ操作量）を演算すると共に、これによる制御信号をサーボ弁２４に入力することにした。

すなわち、コントローラ６は、図３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の移動軌跡上における位置、及び、その移動に際してステージ４が実際に受ける推力を取得する位置・推力取得部６ｄ（ステージ状態取得部）と、そうして取得された位置及び推力に基づいて、ステージ４の移動に伴って除振台１に生じる振動に見合う制御力となるように、サーボ弁２４を制御する制振フィードフォワード制御部６ｅ（制御部）と、を備えている。

そして、制振フィードフォワード制御部６ｅは、ステージ４の制御に際し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、前述のように位置及び加速度の取得値に基づいて求めた制振フィードフォワード操作量に対応する制御信号を、ステージ４の移動制御と実質的に同じタイミング（つまりリアルタイム）でサーボ弁２４へ入力する。

−ステージの位置及び推力の取得方法−
以下、ステージ４の位置及び推力の取得方法について、その一例を説明する。

第１の実施形態に係る構成例では、位置・推力取得部６ｄは、ステージコントローラ５から出力される制御信号に基づいて、ステージ４の位置と、ステージ４が受ける推力とをリアルタイムで取得する。

具体的には、前述のように、ステージ位置センサＳ４及びステージ推力センサＳ５は、双方ともコントローラ６に接続されており、ステージ４の制御信号として、それぞれの検出信号（位置実測値、推力実測値）がコントローラ６に入力されるようになっている。位置・推力取得部６ｄは、ステージ４が移動制御されるとき、これらの制御信号をリアルタイムで取得して、その取得内容を制振フィードフォワード制御部６ｅに送る。それを受けて、制振フィードフォワード制御部６ｅは、制振フィードフォワード操作量を算出する。

−制振フィードフォワード操作量の演算方法−
以下、制振フィードフォワード操作量の演算方法を具体的に説明する。

説明の便宜のために、ステージ４に一定の推力ｆが付与されていて、図１に矢印で示すようにステージ４が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は、前述の位置指令値と実質的に一致する。こうしてステージ４が移動すると、除振対象物である除振台１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（正確には、ステージ４の質量と搭載物Ｓの質量の和）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、ということに等しい。

そこで、空気ばねの内圧を制御して、前述の回転力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、それらの空気ばねの内圧を制御して、除振対象物である除振台１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、前述のようにステージ４に一定の推力ｆが付与されているときには、このステージ４の移動に伴う反力 Ｆ＝−ｆが装置本体３を介して除振台１に作用することになる。この反力Ｆの作用線は、略水平であって、且つ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＝−ｆ・ｈ が発生することになる。上下方向の距離ｈは、予め実測してもよい。ステージ４が水平方向に移動することを考慮すると、上下方向の距離ｈは略一定に保たれる。

反力Ｆによって生じる回転力Ｎ２を受け止めるには、前述の回転力Ｎ１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との間に下式（１）に示す関係があることを考慮すれば、操作量Ｕ_θは以下の式（２）で表される。

ここで、式（１）〜（２）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、水平方向にも空気ばねを設けている場合は、これによりステージ４が受ける反力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操作量Ｕ_ｘは、下式（３）で表される。

尚、制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘは、前述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に変換される。制振フィードフォワード制御部６ｅは、移動距離Δｘとしてステージ位置センサＳ４から出力された位置実測値を用いる一方、推力ｆとしてステージ推力センサＳ５から出力された推力実測値を用いることにより、制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘをステージ４の移動制御と略同時に演算する。

−アクティブ除振装置の作動−
そして、この構成例では、前記のように求めた制振フィードフォワード操作量に基づく空気ばねの内圧の制御を、前述のように、ステージ４の移動制御と共にリアルタイムで実行するようになっている。

すなわち、搭載装置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、ステージ位置センサＳ４及びステージ推力センサＳ５から、位置実測値と推力実測値とを示す信号が出力されて、コントローラ６に入力される。これを受けて、コントローラ６の位置・推力取得部６ｄでは、ステージ４の位置及び推力をリアルタイムで取得して、制振フィードフォワード制御部６ｅに送る。これを受けて、制振フィードフォワード制御部６ｅは、前述の如く、空気ばねの内圧を制御するための制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘを求める。

そして、制振フィードフォワード制御部６ｅは、前述のような制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘが求められ次第、それらを可能な限り速やかにサーボ弁２４へ出力する。前述のように、推力実測値にはステージ４が受ける摩擦の影響が反映される。そのため、ステージ４の移動に伴って、搭載装置Ｄを介して除振台１が揺れようとするときに、除振台１に対し、ステージ４が受ける摩擦力の影響などを反映した制御力を付与して、その揺れを十分に抑制することできる。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６ａ及び制振フィードバック制御部６ｂ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。

図４は、前述のような揺れの抑制効果を示すイメージ図である。詳しくは、図４の上図はステージ４の加速度指令値を示し、下図はステージ４の移動に伴って生じるステージの位置の目標値と、実測値との差（位置偏差）を示している。また、図５は、図４の下図の囲み部Ｒを拡大して示す説明図である。

詳しくは、図４の上図における加速度指令値とは、ステージ４の位置指令値と、ステージ４の移動時間（予め設定された時間）とに基づき求められる加速度を指す。即ち、加速度指令値とは、摩擦の影響などを考慮しない、ステージ４の理想的な加速度に等しい。

一方、図４の下図において細目の破線で示すグラフは、前記特許文献１に記載のアクティブ除振装置において、位置及び加速度の推定値として、それぞれ前述の位置指令値と加速度指令値を用いたときに生じる揺れを示す。

図４〜５に示すように、第１の実施形態に係る構成とした場合（図４〜５における太めの破線を参照）、前述の特許文献１に係る構成よりも制振性能に優れていることが見て取れよう。

以上説明したように、前記の構成によれば、サーボ弁２４の制御に際して、ステージ４が受ける実際の推力ｆを参照する。実際の推力ｆには、ステージ４が、その移動に伴い受ける摩擦力などが反映されるようになるから、より精密な制御を実現し、ひいては、図４の下図に示すように、優れた制振性能を実現することが可能となる。

しかも、ステージ４が実際に受ける推力ｆと、ステージ４の位置Δｘとを組み合わせた制御とすることで、除振台１が受ける反力Ｆに係る回転力Ｎ２に起因した振動を抑えることが可能になる。このこともまた、優れた制振性能を実現する上で有効となる。

かくして、前記の構成によれば、ステージ４が受ける実際の推力ｆと、ステージの位置Δｘとを組み合わせた制御を行うことで、優れた制振性能を実現することができる。

また、図１〜３に示すように、ステージ４を制御する際には、除振台１とは独立した制御系を用いる場合がある。前記の構成によれば、ステージ４の移動に用いる制御信号のうち、ステージ４が受ける推力に対応する制御信号を流用する。これにより、位置・推力取得部６ｄは、ステージ４が受ける推力をゼロから求めずとも、速やかに且つ確実に取得することが可能になる。

《第２の実施形態》
前記第１の実施形態では、位置・推力取得部６ｄは、ステージ４の移動制御のための制御信号に基づいて、ステージ４が受ける推力を取得するように構成されていた。しかし、本発明は、そうした構成には限定されない。そこで、以下、本発明の第２の実施形態について説明する。尚、第１の実施形態との共通部分については、その説明を省略する。

図６は、ステージ４が受ける実際の推力と、その推力を事前に推定した上でチューニングを施した値との関係を例示する説明図である。

第２の実施形態に係る構成例では、位置・推力取得部６ｄは、ステージ４の制御に係る情報に基づいた算出により、ステージ４が受ける推力を事前に演算して取得する。

具体的には、第１の実施形態と同様に、コントローラ６にはステージ位置センサＳ４が接続されており、ステージ４の制御に係る情報として、ステージ４の位置を示す信号と、ステージ４の移動時間を示す信号が入力される。

ここで、所定時間Δｔに亘って推力Ｆ_０を加えた結果、ステージ４が所定速度ｖ_０で動き出したとすると、以下に示すように、ステージ４が受ける推力Ｆ_０と動摩擦力との釣り合いを示す式（４）と、ステージ４が受ける力積と運動量の変化量との関係を示す式（５）とがそれぞれ成立する。

ここで、ステージ４の動摩擦係数をμとし、前述の如くステージ４の質量をｍとした。

式（４）と（５）を整理すると、所定速度ｖ_０、所要時間Δｔ、動摩擦係数μ、及び、ステージ４の質量ｍを相互に関係付ける関係式（６）が得られる。

一方、コントローラ６は、ステージ４の位置を示す信号と、ステージ４の移動時間を示す信号に基づいて、前述の加速度指令値に等しい摩擦なしの加速度ａ_１を演算する。

ステージ４が実際に受ける推力の推定値をｆ’とすると、推定値ｆ’は、前記関係式（６）も考慮して下記の如く得られる。

式（７）に示すように、推力の推定値ｆ’は、加速度指令値ａ_１から、所定速度ｖ_０を所要時間Δｔにより除算した値を差し引いた上で、ステージ４の質量ｍを乗算することで得られる。この第２の実施形態に係る構成例においては、加速度指令値ａ_１と、他のパラメータとを組み合わせて推力の推定値ｆ’を演算するようになっている。ここで、コントローラ６に動摩擦係数μを予めインプットしておくことで、加速度指令値ａ_１や重力加速度ｇと組み合わせて推定値ｆ’を演算してもよいし、センサからの入力等に基づき、所定速度ｖ_０や所要時間Δｔを演算し、その演算結果を利用して推定値ｆ’を求めてもよい。或いは、ステージ４の移動制御に係る情報に基づいて、推定値ｆ’を決定してもよい。

推力の推定値ｆ’に関しては、図６に示すように、速度に係るゲインを調整したりするなどして、その値をチューニングしてもよい。チューニングに際しては、操作者が速度に係るゲイン等を手動で調整してもよいし、コントローラ６によって自動的に調整してもよい。周知のようにステージ４が受ける実際の推力は、静止状態にあってもゼロから若干オフセットする可能性がある。対して、チューニングを施すことで、静止状態ではゼロになるように推定値ｆ’を調整することが可能となる。そのことで、除振装置Ａの制振性能を高めることが可能になる。加えて、チューニングによって、図６に示すように、推定値ｆ’のピークの高さを調整してもよい。ピークの高さを実測値と合せることで、推定値ｆ’の精度を高めることができる。そのことで、除振装置Ａの制振性能をさらに高めることができる。

ここで、摩擦力の影響を反映したステージ４の実際の速度ｖと前述の所定速度ｖ_０とは、正の相関関係にあると考えられる。そこで、ステージ４の実際の速度ｖと、所定速度ｖ_０とが比例関係にあると仮定する。そのときの比例係数をｂとすると、推力の推定値ｆ’は、以下の関係式（８）より得られる。

式（７）を用いた演算と同様に、センサからの入力などに基づき、式（８）における第２項の値を決定することができる。その決定に際しては、ステージコントローラ５がステージ４の移動制御に用いる制御信号やパラメータを流用してもよい。

こうして、推力の推定値ｆ’が求められる。位置・推力取得部６ｄは、ステージ４が移動制御されるとき、このようにして推力を事前に推定する。制振フィードフォワード制御部６ｅは、移動距離Δｘとしては、第１の実施形態と同様にステージ位置センサＳ４から出力された位置指令値を用いる一方、推力ｆとしては前述のように事前に演算された推定値ｆ’を用いることにより、制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘを演算して導き出す。

そして、この第２の実施形態に係る構成例では、前記のように求めた制振フィードフォワード操作量に基づく空気ばねの内圧の制御を、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なっている。

すなわち、搭載装置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から出力されて、コントローラ６に入力される。これを受けて、コントローラ６の位置・推力取得部６ｄでは、ステージ４の位置及び推力を事前に取得して制振フィードフォワード制御部６ｅに送る。これを受けて、制振フィードフォワード制御部６ｅは、前述の如く、空気ばねの内圧を制御するための制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘを求める。

そして、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６の制振フィードフォワード制御部６ｅは、前記のように予め求めた制御量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の移動制御に対して十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時間が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、ちょうど除振台１側の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。

また、推力の事前推定値ｆ’には、推力実測値と同様に、ステージ４が受ける摩擦の影響が反映される。そのため、ステージ４の移動に伴って、搭載装置Ｄを介して除振台１が揺れようとするときに、除振台１に対し、ステージ４が受ける摩擦力の影響などを反映した制御力を付与して、その揺れを十分に抑制することできる。

図４〜５に示すように、第２の実施形態に係る構成とした場合（図４〜５の実線を参照）、前述の特許文献１に係る構成や、前述の第１の実施形態に係る構成よりも制振性能に優れていることが見て取れよう。なお、図４〜５に示す変位量は、前述の如く、所定速度ｖ_０を所要時間Δｔで除算した項に対して、その静止状態におけるオフセット量とピークの位置をチューニングした場合の値に相当する。

以上説明したように、第２の実施形態によれば、ステージ４が受ける推力を事前に算出し、その算出結果に基づきサーボ弁２４を制御する。このような制御を行うと、例えばサーボ弁２４によって空気ばね２を作動させる場合など、その応答遅れが懸念されるときに、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、ひいては空気ばね２を作動させることが可能となる。そのことで、ステージ４の移動によって揺れが生じるのに間に合うよう、除振台１に制御力を付与することができる。

つまり、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推力等を推定して、適切な制御を行うことができ、空気ばねのような応答遅れの大きな部材を用いたとしても、除振台１が揺れようとするときに遅れなく制御力を付与して、揺れを十分に抑制することができる。

《他の実施形態》
前記第１及び第２の実施形態では、除振台１用のアクチュエータとしてサーボ弁２４を例示したが、この構成には限られない。例えば、サーボ弁２４の代わりにリニアモータを用いてもよい。

また、前記第１及び第２の実施形態では、位置・推力取得部６ｄ及び制振フィードフォワード制御部６ｅは、コントローラ６の一部とされていたが、この構成には限られない。位置・推力取得部６ｄ及び制振フィードフォワード制御部６ｅのうちの少なくとも一方をステージコントローラ５の一部としてもよい。

具体的に、前記第２の実施形態では、コントローラ６は、ステージコントローラ５から出力されたステージ制御情報（位置、推力）やタイミング信号に基づいて、推力の推定と、その推定結果に基づいた制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘの演算とを行うように構成されていた。そうした構成に代えて、例えばステージコントローラ５において推力を推定し、その推定結果を制振フィードフォワード制御部６ｅに対して事前に出力するような構成（つまり、位置・推力取得部６ｄをステージコントローラ５の一部とする構成）としてもよい。或いは、ステージコントローラ５において、推力の推定と、その推定結果に基づいた制御量Ｕ_θ、Ｕ_ｘの演算とを両方とも実行し、その演算結果をサーボ弁２４に対して事前に出力するような構成（つまり、位置・推力取得部６ｄ及び制振フィードフォワード制御部６ｅを両方ともステージコントローラ５の一部とする構成）としてもよい。

Ａ アクティブ除振装置
Ｄ 搭載装置
Ｓ 搭載物
１ 除振台
２ 空気ばねユニット
３ 搭載装置の本体
４ ステージ
５ ステージコントローラ（第２の制御部）
６ コントローラ
６ｄ 位置・推力取得部（ステージ状態取得部）
６ｅ 制振フィードフォワード制御部（制御部）
２４ サーボ弁（アクチュエータ）
３１ リニアモータ（第２のアクチュエータ）

Claims (4)

1. 推力を受けて移動することにより、搭載物の位置決めを行うステージと、
   前記ステージを支持する除振台と、
   前記除振台に対し、その振動を抑えるような制御力を付与するアクチュエータと、
   前記ステージの移動軌跡上における位置、及び、その移動に際して前記ステージが実際に受ける推力を取得するステージ状態取得部と、
   前記ステージ状態取得部による取得内容に基づいて、前記ステージの移動に伴って前記除振台に生じる振動に見合う制御力となるように、前記アクチュエータを制御する制御部と、を備えるアクティブ除振装置。
2. 請求項１に記載されたアクティブ除振装置において、
   前記ステージに対して推力を付与する第２のアクチュエータと、
   前記第２のアクチュエータに対して制御信号を入力することにより、該制御信号に応じた推力を発生させる第２の制御部と、を備え
   前記ステージ状態取得部は、前記第２の制御部から出力される制御信号に基づいて、前記ステージが受ける推力をリアルタイムで取得するアクティブ除振装置。
3. 推力を受けて移動することにより、搭載物の位置決めを行うステージと、
   前記ステージを支持する除振台と、
   前記除振台に対し、その振動を抑えるような制御力を付与するアクチュエータと、
   前記ステージの移動軌跡上における位置、及び、その移動に際して前記ステージが受けると推定される推力を取得するステージ状態取得部と、
   前記ステージ状態取得部による取得内容に基づいて、前記ステージの移動に伴って前記除振台に生じる振動に見合う制御力となるように、前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、
   前記ステージ状態取得部は、前記ステージが受ける動摩擦力に基づいて、前記ステージが受ける推力を事前に取得するアクティブ除振装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載されたアクティブ除振装置において、
   前記制御部は、前記ステージ状態取得部による取得内容に基づいて、前記ステージの移動に伴って前記除振台が受ける回転力に起因した振動に見合う制御力となるように、前記アクチュエータを制御するアクティブ除振装置。