JPH04262145A - アクティブ振動絶縁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアクティブ振動絶縁装置
に関し、特に、振動センサからの振動信号により駆動さ
れるアクチュエータをその加振方向と直交する方向に自
由に動けるようにして振動絶縁性能を向上できるアクテ
ィブ振動絶縁装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ベロフラムで囲繞された空気
タンク、この空気タンクとダッシュポットにより連通し
た付加タンクからなる空気バネで支持された制御対象物
をパッシブに制御するパッシブ振動絶縁装置は周知であ
る。最近、パッシブ振動絶縁装置に代えて、同じく空気
バネを使用して制御対象物をアクティブに制御するアク
ティブまたはセミアクティブ振動絶縁装置が採用されつ
つある（特開昭６０−１２１３４０号公報）。

【０００３】このアクティブ振動絶縁装置は、制御対象
物に振動センサを搭載して振動を検出し、この振動信号
によって振動絶縁装置にアクチュエータからエネルギー
を注入し、線形フィードバック制御や線形フィードフォ
ワード制御の理論を用いて振動絶縁装置の除振或いは絶
縁効果を積極的に高めようとするものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなアクティブ振動絶縁装置において、アクチュエータ
としては電気によって駆動するボイス・コイル・モータ
（ＶＣＭ）などが使用されるので、例えばアクチュエー
タが制御対象物を上下方向に加振する場合について言え
ば、制御対象物の水平方向の振動の影響を回避するため
、その固定子たるヨークと可動子たるアマチュアとの空
隙を厚くすると、推力が小さくなって振動絶縁性能が低
下し、反対に推力を大きくして振動絶縁性能を上げよう
とすると、ヨークとアマチュアとの空隙を薄くせざるを
得ず、制御対象物の水平方向の振動によってヨークとア
マチュアが接触して振動絶縁の機能が麻痺してしまうと
いう難点を惹起している。

【０００５】

【目的】本発明は叙上の難点に鑑みなされたもので、そ
の目的は、振動センサからの振動信号により駆動される
アクチュエータをその加振方向と直交する方向に自由に
動けるようにして振動絶縁性能を向上できるアクティブ
振動絶縁装置を提供せんとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のアクティブ振動絶縁装置は、空気バネで支持
されている制御対象物に搭載され振動を検出して振動信
号を出力する振動センサと、振動センサからの振動信号
により駆動され制御対象物を加振するアクチュエータと
、アクチュエータに結合されアクチュエータ加振方向と
直交する方向のバネ定数ｋ１と加振方向のバネ定数ｋ２
がｋ１＜＜ｋ２の関係を有する防振材とにより構成され
ている。

【０００７】

【作用】このアクティブ振動絶縁装置によれば、制御対
象物上に搭載された振動センサにより制御対象物の振動
が検出される。この検出された振動信号によりアクチュ
エータを駆動して制御対象物を加振し制御対象物の振動
を低減させる。この場合、アクチュエータは防振材によ
ってその加振方向と直交する方向に自由に動き、振動絶
縁性能が向上する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明のアクティブ振動絶縁装置を適
用した実施例につき図面を参照して説明する。図１にお
いて、このアクティブ振動絶縁装置は、基礎または床で
ある設置面１０上に空気バネ１１で支持された被除振台
または制御対象物１２が設けられている。

【０００９】また、このアクティブ振動絶縁装置は制御
対象物１２の振動を検出して振動信号Ｓ１を出力する振
動センサ１３が制御対象物１２に搭載されている。この
振動センサ１３としては、例えば、公知の加速度センサ
もしくは速度センサ等が採用できる。なお、ここで、制
御対象物１２とは、定盤のような被除振台のみならず、
これに搭載された電子顕微鏡やＩＣ、ＬＳＩの製造装置
であるステッパ等の精密機器が含まれるものであり、こ
の場合、振動センサ１３はこのような精密機器自体に搭
載してもよい。

【００１０】さらに、このアクティブ振動絶縁装置は、
振動センサ１３に付属され又はセンサの近傍に設置され
て振動センサ１３からの振動信号Ｓ１を増幅する前置増
幅器１４と、振動センサ１３で検出され前置増幅器１４
で増幅された振動信号Ｓ１を調整して制御対象物１２の
動きに忠実な電気信号Ｓ２を出力するセンサ用ゲイン・
位相調整回路１５と、センサ用ゲイン・位相調整回路１
７からの電気信号Ｓ２をそれぞれ分離して演算して得ら
れる加速度信号Ｓ３、速度信号Ｓ４を出力する演算回路
１６、１７と、それぞれ異なったゲインＧ１（Ｓ）、Ｇ
２（Ｓ）を有し、演算回路１６、１７からの加速度信号
Ｓ３、速度信号Ｓ４がそれぞれ入力されてそのゲイン・
位相を調整し電気信号Ｓ５、Ｓ６を出力するゲイン・位
相補正回路１９、２０とを有している。なお、この加速
度信号Ｓ３は、振動センサ１３として速度センサが使用
されている場合に、速度を１回微分することにより得ら
れる。また、この速度信号Ｓ４は、振動センサ１３とし
て加速度センサが使用されている場合に、加速度を１回
積分することにより得られる。

【００１１】センサ用ゲイン・位相調整回路１５は、振
動センサ１３から前置増幅器１４を介して入力される振
動信号Ｓ１を調整して制御対象物１２の動きに忠実な電
気信号Ｓ２を出力する機能を有するものであるから、そ
の回路の電気特性は予め制御対象物１２の動きをレーザ
ー等の精密測定器で測定し、その際の振動センサ１３の
振動信号Ｓ１の出力特性をこのレーザー等で測定した実
際の制御対象物１２の動きに忠実に追従するよう較正し
て得られるものである。また、ゲイン・位相補正回路１
９、２０は、ゲインＧ１（Ｓ）、Ｇ２（Ｓ）を有し、後
述するように振動絶縁装置の特性を加味して制御信号を
出力する機能を有するもので、固有振動数および減衰を
任意に設定し振動絶縁性能を向上する効果をもっている
。

【００１２】一方、制御対象物１２と空気バネ１１の設
置面１０間の相対変位を検出して相対変位信号Ｓ７を出
力する非接触変位センサ２１が制御対象物１２または空
気バネ１１の何れかに搭載されている。この変位センサ
２１としては、例えば、渦電流素子、差動トランス、Ｌ
ＥＤ、レーザー素子等が採用できる。さらに、この相対
変位検出系には、非接触変位センサ２１からの相対変位
信号Ｓ７を増幅する前置増幅器２２と、ゲインＧ３（Ｓ
）を有し、前置増幅器２２を介して入力される相対変位
信号Ｓ７を補正しそのゲイン・位相を補正し電気信号Ｓ
８を出力するゲイン・位相補正回路２３とが設けられて
いる。 ゲイン・位相補正回路２３は後述するようにシステムの
整合性をとるものであってゲイン・位相補正回路１９、
２０と共に固有振動数および減衰を任意に設定し振動絶
縁性能を向上するように設定される。なお、非接触変位
センサ２１、前置増幅器２２、ゲイン・位相補正回路２
３は必須なものではなく、これらに代えて自動圧力調整
弁のようなレベルコントロール装置を設置した場合には
設けることを要しない。

【００１３】さらに、ゲイン・位相補正回路１９、２０
からの電気信号Ｓ５、Ｓ６およびゲイン・位相補正回路
２３からの電気信号Ｓ８が印加され、両信号を加算する
加算器２４と、これらの電気信号Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８が入
力されるドライバー２５と、ドライバー２５からの駆動
信号Ｓ９により駆動され制御対象物１２を加振する上下
用アクチュエータ３０、３１とが備えられている。上下
用アクチュエータ３０、３１の夫々は制御対象物１２と
空気バネ１１との間に防振材３３、３４を介して設置さ
れている。

【００１４】図３に示すように、上下用アクチュエータ
３０としては電気によって駆動する例えばボイス・コイ
ル・モータ（ＶＣＭ）が使用でき、固定子たるヨーク３
６とコアー３７ａにコイル３７ｂを巻回した可動子たる
アマチュア３７とから構成されている。固定子たるヨー
ク３６は防振材３３、３４に、可動子たるアマチュア３
７は制御対象物１２にそれぞれ結合され、ヨーク３６と
アマチュア３７には空隙Ｄが形成され、アマチュア３７
のコイル３７ｂが前述のドライバー２５からの駆動信号
Ｓ９により駆動されると、アマチュア３７に推力が発生
し、上下用アクチュエータ３０は制御対象物１２を上下
方向に加振する。上下用アクチュエータ３１も上下用ア
クチュエータ３０と同様の構成である。

【００１５】防振材３３、３４はそれぞれ上下用アクチ
ュエータ３０、３１に結合され、アクチュエータ加振方
向（上下方向）と直交する方向（水平方向）のバネ定数
ｋ１と加振方向のバネ定数ｋ２がｋ１＜＜ｋ２の関係を
有する部材で構成されている。そのバネ定数の一例を挙
げると、ｋ１／ｋ２＝１／１０乃至１／５００である。 このため防振材３３、３４の例としてはそれぞれ、図４
に示すように、上部板３８と下部板３９との間に金属板
４０とゴム状弾性体４１とが交互に積層され加硫接着さ
れた積層体をボルト４２で固定された免振ゴムが採用で
きる。 この免振ゴムのバネ定数はｋ１／ｋ２＝１／１００乃至
１／５００である。また、他の例として図５に示すよう
に、中心に開口４４を穿設したリング状の板バネ４３を
面対称に２枚合せたものをさらに面対称に２組合せた構
造が採用できる。この場合のバネ定数はｋ１／ｋ２＝１
／２００乃至１／５００である。

【００１６】さらに、ドライバー２５からの駆動信号Ｓ
９により駆動され制御対象物１２を加振する水平用アク
チュエータ３２とが備えられている。この水平用アクチ
ュエータ３２は制御対象物１２の周面部に例えば２個ず
つ設けられているが、図面では１個のみを示す。水平用
アクチュエータ３２は、空気バネ１１で支持された制御
対象物１２と基礎または床である設置面１０上に空気バ
ネ１１を支持する支柱枠１１ａとの間に防振材３５を介
して設置されている。水平用アクチュエータ３２および
防振材３５は、それぞれ叙上の上下用アクチュエータ３
０、３１および防振材３３、３４と同じ構成であり、取
付け方向が異なるだけである。

【００１７】このように構成されたアクティブ振動絶縁
装置において、基礎又は床である設置面１０上に空気バ
ネ１１で支持された制御対象物１２上に搭載された振動
センサ１３により制御対象物１２の振動が検出される。 この検出された振動信号Ｓ１は前置増幅器１４にて増幅
される。この増幅された振動信号Ｓ１はセンサ用ゲイン
・位相調整回路１５に印加され制御対象物１２の動きに
忠実な電気信号Ｓ２を出力する。センサ用ゲイン・位相
調整回路１５は、予じめ制御対象物１２の動きをレーザ
ー等の精密測定器で測定し、その際の振動センサ１３の
振動信号Ｓ１の出力特性をこのレーザー等で測定した実
際の制御対象物１２の動きに忠実に追従するよう較正し
て得られた回路の電気特性によってその振動信号Ｓ１を
調整して制御対象物１２の動きに忠実な電気信号Ｓ２を
出力する。この電気信号Ｓ２は演算回路１６、１７でそ
れぞれ分離して演算されて加速度信号Ｓ３、速度信号Ｓ
４を出力する。この加速度信号Ｓ３、速度信号Ｓ４はそ
れぞれゲイン・位相補正回路１９、２０に入力される。 ゲイン・位相補正回路１９、２０は振動絶縁装置の特性
を加味して制御電気信号Ｓ５、Ｓ６を出力する機能を有
するもので、固有振動数および減衰を任意に設定し振動
絶縁性能を向上するものである。

【００１８】この電気信号Ｓ５、Ｓ６は加算器２４で加
算され、加算器２４からの出力はドライバー２５に印加
されて駆動信号Ｓ９を出力する。ドライバー２５からの
駆動信号Ｓ９により上下用アクチュエータ３０、３１に
おけるアマチュア３７（図３）のコイル３７ｂが励磁さ
れる。これによってヨーク３６に対しアマチュア３７に
は推力が発生し、上下用アクチュエータ３０、３１は制
御対象物１２を上下方向に加振する。

【００１９】一方、非接触変位センサ２１は、制御対象
物１２と空気バネ１１の設置面１０間の相対変位を検出
して相対変位信号Ｓ７を出力する。非接触変位センサ２
１からの相対変位信号Ｓ７は前置増幅器２２で増幅され
、ゲイン・位相補正回路２３によりそのゲイン・位相を
補正し電気信号Ｓ８を出力する。この電気信号Ｓ８は、
叙上の制御電気信号Ｓ５、Ｓ６と共に加算器２４に印加
され、ドライバー２５に印加されて駆動信号Ｓ９を出力
する。このような相対変位系を設けることにより固有振
動数および減衰を任意に設定し振動絶縁性能をさらに向
上するものである。

【００２０】このようにして上下用アクチュエータ３０
、３１は制御対象物１２の上下振動を低減するが、この
場合、制御対象物１２に搭載されている機器によって制
御対象物１２が水平方向に振動したとすると、アクチュ
エータ加振方向（上下方向）と直交する方向（水平方向
）のバネ定数ｋ１が加振方向のバネ定数ｋ２に比較して
ごく小、即ちｋ１＜＜ｋ２の関係を有する部材で構成さ
れている防振材３３、３４が水平方向に追従して変動す
るから、制御対象物１２の水平方向の振動を吸収する。 このため上下用アクチュエータ３０、３１における固定
子たるヨーク３６と可動子たるアマチュア３７との空隙
Ｄを薄くすることが可能であり、したがって上下用アク
チュエータ３０、３１を小型で、推力を大きくでき振動
絶縁性能を上げることができる。

【００２１】また、ドライバー２５からの駆動信号Ｓ９
により水平用アクチュエータ３２におけるアマチュア３
７（図３）のコイル３７ｂが励磁される。これによって
ヨーク３６に対しアマチュア３７には推力が発生し、水
平用アクチュエータ３２は制御対象物１２を水平方向に
加振する。この場合、制御対象物１２に搭載されている
機器によって制御対象物１２が上下方向に振動したとす
ると、アクチュエータ加振方向（水平方向）と直交する
方向（上下方向）のバネ定数ｋ１と加振方向のバネ定数
ｋ２がｋ１＜＜ｋ２の関係を有する部材で構成されてい
る防振材３５が上下方向に追従して変動するから、制御
対象物１２の上下方向の振動を吸収する。このため水平
用アクチュエータ３２における固定子たるヨーク３６と
可動子たるアマチュア３７との空隙Ｄを薄くすることが
可能であり、したがって水平用アクチュエータ３２を小
型で、推力を大きくでき振動絶縁性能を上げることがで
きる。このようにしてアクチュエータを使用して制御対
象物１２の振動を低減させる。

【００２２】この場合、本発明のアクティブ振動絶縁装
置は、空気バネで支持されている制御対象物に搭載され
振動を検出して振動信号を出力する振動センサと、振動
センサからの振動信号により駆動されるアクチュエータ
とを備えることにより、振動センサからの振動信号がフ
イードバックして再び制御対象物に戻るから系の固有振
動数が低下するので振動絶縁性能が良好になる。

【００２３】以上説明したアクティブ振動絶縁装置は、
図２に示すようなモデルで略示でき、その運動方程式は
ラプラス演算子を用いて下式で表わされる。 ＭＳ２Ｘ＝Ｋ（Ｕ−Ｘ）−Ｆ ＝Ｋ（Ｕ−Ｘ）−Ｇ１（Ｓ）Ｓ２Ｘ−Ｇ２（Ｓ）ＳＸ＋
Ｇ３（Ｓ）（Ｕ−Ｘ） ただし、この式においてＭ、Ｓ、Ｘ、Ｋ、Ｕ、Ｆは下記
の通りである。

【００２４】Ｍ：制御対象物１２の質量Ｓ：ラプラス演
算子（Ｓ＝ｄ／ｄｔ） Ｘ：制御対象物１２の変位 Ｋ：空気バネ１１のバネ定数 Ｕ：基礎または床である設置面１０の変位Ｆ：制御弁２
１による空圧制御力 従って、 ｛（Ｍ＋Ｇ１（Ｓ）Ｓ２＋Ｇ２（Ｓ）Ｓ＋（Ｋ＋Ｇ３（
Ｓ））｝Ｘ＝（Ｋ＋Ｇ３（Ｓ））Ｕ

【００２５】

【数１】

【００２６】固有振動数ωｎは、

【００２７】

【数２】

【００２８】振動減衰係数比ζは、

【００２９】

【数３】

【００３０】で表わされる。ここでＸ／Ｕ、即ち伝達関
数Ｈ（Ｓ）は、

【００３１】

【数４】

【００３２】Ｓ＝ｊωとすれば、

【００３３】

【数５】

【００３４】これらの式は、ゲイン・位相補正回路１９
の加速度信号に係わるゲインＧ１（Ｓ）が小さくなると
、またはゲイン・位相補正回路２３の相対変位信号に係
わるゲインＧ３（Ｓ）が大きくなると固有振動数ωｎが
高くなり、つまり見かけ上空気バネ１１のバネが硬くな
ることを意味する。さらに、ゲイン・位相補正回路１９
の加速度信号に係わるゲインＧ１（Ｓ）、ゲイン・位相
補正回路２３の相対変位信号に係わるゲインＧ３（Ｓ）
が小さくなると、またはゲイン・位相補正回路２０の速
度信号に係わるゲインＧ２（Ｓ）が大きくなると振動減
衰係数比ζが大きくなり、固有振動数の共振倍率が極め
て小さくなることを意味する。

【００３５】また、これらの式は、ゲインＧ１（Ｓ）、
Ｇ２（Ｓ）、Ｇ３（Ｓ）、従って固有振動数ωｎおよび
振動減衰係数比ζを変えることによって伝達関数Ｈ（Ｓ
）、従ってＨ（ｊω）の大きさおよび位相を調節するこ
とができ、振動絶縁効果を変化させることが可能である
ことを示している。このようにしてフィードバックゲイ
ンＧ１（Ｓ）、Ｇ２（Ｓ）、Ｇ３（Ｓ）を制御すること
により固有振動数ωｎおよび振動減衰係数比ζを任意に
設定できる。従って、これらの信号を用いて振動絶縁性
能を大幅に向上できるアクティブ振動絶縁装置を構成で
きる。

【００３６】以上の例では加速度信号、速度信号、相対
変位信号の３信号をフィードバック制御信号として用い
たが、所期の振動絶縁効果を得るための用途に応じてこ
れらの３信号によりから成る群から選ばれた１または２
信号を用いて制御することもできる。また、以上の例で
は相対変位のフィードバックを行なっているので、制御
対象物１２のレベル（高さ）の制御も可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のアクティブ振動絶縁装置によれば、空気バネで支持
されている制御対象物に搭載され振動を検出して振動信
号を出力する振動センサと、振動センサからの振動信号
により駆動され制御対象物を加振するアクチュエータと
、アクチュエータに結合されアクチュエータ加振方向と
直交する方向のバネ定数ｋ１と加振方向のバネ定数ｋ２
がｋ１＜＜ｋ２の関係を有する防振材とを設けることに
より、アクチュエータを小型で、推力を大きくでき振動
絶縁性能を大幅に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるアクティブ振動絶縁装置の説明図

【図２】図１におけるアクティブ振動絶縁装置のモデル
を示す説明図

【図３】図１におけるアクティブ振動絶縁装置に使用さ
れるアクチュエータの説明図

【図４】図１におけるアクティブ振動絶縁装置に使用さ
れる一例としての防振材の説明図

【図５】図１におけるアクティブ振動絶縁装置に使用さ
れる他の例としての防振材の説明図

【符号の説明】

１１……空気バネ １２……制御対象物 １３……振動センサ ３０、３１、３２……アクチュエータ ３３、３４、３５……防振材 Ｓ１……振動センサからの振動信号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気バネで支持されている制御対象物に搭
   載され振動を検出して振動信号を出力する振動センサと
   、前記振動センサからの振動信号により駆動され前記制
   御対象物を加振するアクチュエータと、前記アクチュエ
   ータに結合されアクチュエータ加振方向と直交する方向
   のバネ定数ｋ１と加振方向のバネ定数ｋ２がｋ１＜＜ｋ
   ２の関係を有する防振材とを備えたことを特徴とするア
   クティブ振動絶縁装置。