JPH06280931A - 能動型除振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】能動制御に最適な位相差およびゲインを得る。 【構成】制御対象物１２を支持する受動型バネ要素１１
からなる除振台１３と、制御対象物の振動を検出するセ
ンサー１５と、検出された制御対象物振動信号Ｓ₁から
能動的除振をするためのドライブ信号Ｓ₂を作り出す制
御回路１６と、ドライブ信号により制御対象物に制振力
を付加するアクチュエータ１７とを備え、センサーは、
除振台の固有振動数に実質的に合致する固有振動数を有
する共振台２２を介して制御対象物に搭載されて除振台
の固有振動数において９０°の位相差および＋１０〜４
０ｄＢのゲインをもつサーボ型加速度センサー１５から
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は除振、免震、制振機能を
有する能動型除振装置に関し、特に、能動制御に最適な
位相差およびゲインが得られるサーボ型センサーを備え
た能動型除振装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来から半導体製造・検査装置、電子顕
微鏡、光応用装置等に代表される精密機器は、それら自
身の機能、仕様が高集積、高分解能、超精密化していく
ために設置基礎または床からの振動を遮断する必要があ
る。このため、バネ係数の軟いバネ（防振ゴム、スプリ
ング、空気バネ）と粘性減衰定数のダッシュポットを使
用し、バネで支持された定盤に精密機器が搭載された質
量の制御対象物を受動に制御して除振する受動型（パッ
シブ）除振台が知られている。

【０００３】この受動型除振台では、設置基礎または床
の振動より振動が大きくなってしまう領域（共振領域）
と減衰できる領域（除振領域）が共存してしまうことに
なり、減衰定数が小なるとき、正規化周波数が１以上で
の除振効果は大きいが、共振が大になる。又、減衰定数
が大なるときは、共振は０dBに近づくが、正規化周波数
１以上での除振効果は少なくなる。また、粘性減衰を付
加して共振を抑えようとすると、除振効果は減じ、二律
相反を崩すことはできなかった。

【０００４】これら受動型除振台の発展型として、図４
に示す垂直方向１軸（Ｚ軸）モデルとして、バネ係数ｋ
の軟いバネ（防振ゴム、スプリング、空気バネ）と粘性
減衰定数ｃのダッシュポットのバネ系で支持された定盤
に精密機器が搭載された制御対象物の質量ｍ自身の振動
を振動センサーSEでモニターし、補償回路で位相反転し
駆動回路でドライブ信号を作成し、バネ系とは別に設け
たアクチュエータACTにより振動を定盤に精密機器が搭
載された制御対象物質量ｍに印加することで、共振現象
のない、除振効果の高い能動型（アクティブ）除振台が
開発され、特開昭６１−２２８１３７号、特開昭６１−
２２４０１５号公報等で報告されている。

【０００５】この能動型除振台において、振動センサー
SEは能動的に振動制御すべき制御対象物（例えば定盤）
に直接固定されている（図４）。

【０００６】また、振動センサーSEは速度型センサー、
加速度型センサーが用いられるが、低周数領域（ｆ≦５
Ｈｚ）でのゲインがフラットであること、位相特性がフ
ラットであることからサーボ型加速度センサーが多用さ
れている。さらに、除振台の固有振動数は１〜４Ｈｚ位
に存在し、この周波数帯域で振動センサーの出力が低下
しないことが望ましい。

【０００７】このサーボ型加速度センサーは、図５に示
すようにケース内に設けられたバネ係数ｋのばね３０と
粘性減衰定数Ｄの減衰器３１で支持された質量ｍの振子
重錘３０と、重錘の平衡点からの変位を検出する位置検
出部３２と、重錘を常に平衡点へ戻そうとする電気的な
復原力を発生する駆動部３３と、位置検出部−駆動部間
に介在するサーボ増幅器３４とから構成されている。ケ
ースが空間に対して変位ｙが発生し、重錘３０に加速度
が働いて平衡点から変位ｘだけづれると、位置検出部３
２によって、このづれを検出し、サーボ増幅器３４と駆
動部３３によって、づれに比例した電気的な復原力を発
生させる。加速度は従来の重錘の変位からではなく、駆
動部３３に供給される電流ｉを抵抗Ｒの電圧降下ｖで測
定される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】

（１）このようなサーボ型加速度センサーが搭載された
能動型除振台において、除振台の入力振動に対する出力
振動の比＝振動伝達率（ボード線図）は図６に示すよう
にゲインは固有振動数で最大（例えば１０ｄＢ）、位相
は固有振動数ｆ ₀で９０°遅れ、それより高域で−１８
０°の位相となる。この振動伝達率において、床面ER
（図４）上の振動加速度のスペクトラムを或るレベル
（ｎｄＢ）で一定とすると（図７）、制御対象物（定
盤）上の振動加速度のスペクトラムは、振動伝達率のカ
ーブをトレースする。

【０００９】（２）この出力振動（定盤上の振動）をサ
ーボ型加速度センサーで計測した場合、図８に示すよう
に出力振動のパターンをトレースした加速度センサー信
号が出力される。定盤上の振動に対するサーボ型加速度
センサーの出力信号の位相差は同図に示すように０°で
同相である。 （３）図６の振動伝達率において斜線部分の共振領域を
能動に減衰させるためには振動センサーの出力として共
振点付近の高いゲインと位相反転が必要である。

【００１０】（４）位相反転は振動計出力信号の＋−を
反転して位相補償回路（図４）に接続することで調整さ
れる。高いゲインについては振動センサーの出力信号を
周波数全帯域で電気的に増幅して達成される（図９）。 （５）上項（４）によって調整、増幅された信号は多く
の場合、除振台を構成する除振部材の共振により１００
Ｈｚ以上の周波数帯域において位相シフト、ゲインアッ
プが発生し、制御が不安定になり発振してしまう。その
ために特定の周波数帯に作用するハイパスフィルター
（ＨＰＦ）、ローパスフィルター（ＬＰＦ）を挿入して
ゲイン調整を行う。このゲイン調整により位相シフトが
発生し、最適な調整が非常に難しくなる。

【００１１】（６）上項（１）〜（５）までの評価は、
一巡の開ループ伝達関数（オープンループ伝達関数）に
よって行われる。すなわち定盤を故意に加振するために
力アクチュエータACTを既知の信号（Ｖｉｎ）と、この
信号により振動した際の一巡の各要素（力アクチュエー
タ、除振台、振動センサー、補償回路）の伝達関数（周
波数特性、位相特性）を経た補償回路出口での信号（Ｖ
ｏｕｔ）との比（ゲイン、位相）により全体の伝達関数
を用いて制御性をチェックする（図１０）。

【００１２】以上述べた課題を整理すれば、能動型（ア
クティブ）除振台に要求される事柄は、 ａ）共振点付近の振動を如何に低く抑えるか ｂ）２０〜３０Ｈｚ付近でパッシブ振動を越えないよう
にパッシブ振動に戻す ｃ）１００Ｈｚ以上で発振しないように安定化させる 点が挙げられ、模式的には図１１に示す。

【００１３】したがって図６〜７に示す定盤上の振動加
速度に対して加速度センサーで計測される出力信号は、 ａ）共振点付近のゲインを如何に上げるか ｂ）除振部材（制御対象物たる定盤やそれに搭載された
精密機器、除振台のフレーム等）の共振が発生しやすい
高域（＞３０Ｈｚ）のゲインを如何に低く抑えるかが課
題となる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ため本発明の能動型除振装置によれば、基礎、床または
地盤等である設置面上に制御対象物を支持する受動型バ
ネ要素からなる除振台と、制御対象物の振動を検出する
センサーと、検出された制御対象物振動信号から能動的
除振をするためのドライブ信号を作り出す制御回路と、
ドライブ信号により制御対象物に制振力を付加するアク
チュエータとを備え、センサーは、除振台の固有振動数
に実質的に合致する固有振動数を有する共振台を介して
制御対象物に搭載されて除振台の固有振動数において実
質的に９０°の位相差および＋１０〜４０ｄＢのゲイン
をもつサーボ型加速度センサーからなるものである。

【００１５】

【作用】基礎、床または地盤等である設置面上に、制御
対象物は除振台の受動型バネ要素で支持されている。制
御対象物の振動はセンサーで検出される。検出された制
御対象物振動信号は、制御回路における増幅器で増幅さ
れ、位相補償回路で制御対象物振動信号の位相補償が行
なわれ、駆動回路で能動的除振をするためのドライブ信
号が生成される。ドライブ信号により空圧アクチュエー
タで制御対象物に制振力が付加される。

【００１６】このセンサーは、サーボ型加速度センサー
から構成され、共振台を介して制御対象物に搭載され、
共振台は除振台の固有振動数に実質的に合致する固有振
動数を有し、共振台を介して制御対象物に搭載されたサ
ーボ型加速度センサーは、この除振台の固有振動数にお
いて実質的に９０°の位相差および＋１０〜４０ｄＢの
ゲインをもっているので、共振領域のゲインを選択的に
増幅でき、除振台の除振部材の共振が発生する周波数帯
域（１００Ｈｚ以上）では出力信号を減衰できる。この
ようにして能動制御に最適な位相差およびゲインが得ら
れる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明による能動型除振装置の好まし
い一実施例を図面に基づき説明する。図１において、本
発明の能動型除振装置は、基礎、床または地盤等である
設置面１０上に受動型バネ要素１１により制御対象物１
２が支持されて除振台１３が構成されている。

【００１８】ここで、制御対象物１１とは、定盤のよう
な被除振質量のみならず、これに搭載されたステッパー
（縮小投影型露光機）のようなＩＣ、ＬＳＩの半導体製
造・検査装置、電子顕微鏡、光応用装置等の精密機器１
４が含まれるものである。この受動型バネ要素１１は空
気バネとダッシュポットとからなる周知の受動型除振装
置を構成している。

【００１９】精密機器１４を含む制御対象物１２には、
制御対象物１２の振動を検出するセンサー１５が搭載さ
れている。また、検出された制御対象物振動信号Ｓ₁か
ら能動的除振をするためのドライブ信号Ｓ₂を作り出す
制御回路１６と、ドライブ信号Ｓ₂により制御対象物１
２に制振力ｆを付加する空圧アクチュエータ１７とが備
えられている。

【００２０】この制御回路１６は、センサー１５により
検出された制御対象物振動信号Ｓ₁を増幅する増幅器１
８、増幅された制御対象物振動信号Ｓ₁の位相補償を行
なう位相補償回路１９、位相補償された信号からドライ
ブ信号Ｓ₂を生成する駆動回路２０から構成されてい
る。駆動回路２０からのドライブ信号Ｓ₂により空圧ア
クチュエータ１７に空気を給排気するサーボバルブ２１
が設けられている。空圧アクチュエータとしてはサーボ
バルブ２１を省略し、リニアモータ（ボイス・コイル・
モータ）を使用し、これをドライブ信号Ｓ₂により電気
的に直接駆動することもできる。

【００２１】本発明の特徴によれば、センサー１５は、
サーボ型加速度センサー（図５）から構成されている。
サーボ型加速度センサーは共振台２２を介して制御対象
物１２に搭載されている（図１）。図２（ａ）に示すよ
うに、共振台２２はバネ係数ｋ₁の空気バネと粘性減衰
定数ｃ₁のダッシュポットの受動型バネ要素でサーボ型
加速度センサーの質量ｍ₁が支持されることにより構成
されている。

【００２２】制御対象物１２を支持する除振台１３はバ
ネ係数ｋの空気バネと粘性減衰定数ｃのダッシュポット
の受動型バネ要素１１で支持された定盤に精密機器が搭
載された制御対象物１２の質量ｍにより、固有振動数ｆ
₀（図３）を有する。共振台２２は除振台１３の固有振
動数に実質的に合致する固有振動数を有する。共振台２
２の固有振動数を除振台１３のそれに合致させるには、
使用する受動型バネ要素における空気バネのバネ係数ｋ
₁、ダッシュポットの粘性減衰定数ｃ₁、サーボ型加速度
センサーの質量ｍ₁若しくはサーボ型加速度センサーと
受動型バネ要素の間に設けられた補助質量ｍ₂（図２
（ｂ））により調整される。

【００２３】こうして共振台２２を介して制御対象物１
２に搭載されたサーボ型加速度センサーは、この除振台
１３の固有振動数ｆ₀において、実質的に９０°の位相
差および＋１０〜４０ｄＢ、好ましくは＋１０〜２０ｄ
Ｂのゲインを有している（図３）。この結果、除振台１
３に発生している図６〜図７に示す振動に対して図２に
示す加速度センサー（ｍ₁）の出力は図３のようにな
り、共振領域のゲインを選択的に増幅でき、除振台１３
の除振部材の共振が発生する周波数帯域（１００Ｈｚ以
上）では出力信号を減衰できる。なお、図２に示すダッ
シュポットの粘性減衰定数ｃ₁をｃ₁₀、ｃ₂₀に変化させ
ることにより、図３に示すように共振領域での増幅、共
振が発生する周波数帯域での減衰の度合いを変更するこ
とができる。

【００２４】振動加速度センサーを搭載した共振台によ
り加速度センサーの出力信号は定盤の振動加速度に帯し
て固有振動数領域で位相が９０°遅れる。このように構
成された能動型除振装置において、基礎、床または地盤
等である設置面１０上に、制御対象物１２は除振台１３
の受動型バネ要素１１で支持されている。

【００２５】制御対象物１２の振動はセンサー１５で検
出される。検出された制御対象物振動信号Ｓ₁は、制御
回路１６における増幅器１８で増幅され、位相補償回路
１９で制御対象物振動信号Ｓ₁の位相補償が行なわれ、
駆動回路２０で能動的除振をするためのドライブ信号Ｓ
₂が生成される。ドライブ信号Ｓ₂により空圧アクチュエ
ータ１７で制御対象物１２に制振力ｆが付加される。

【００２６】この場合、センサー１５は、サーボ型加速
度センサーから構成され、このサーボ型加速度センサー
は共振台２２を介して制御対象物１２に搭載され、共振
台２２は除振台１３の固有振動数に実質的に合致する固
有振動数を有し、共振台２２を介して制御対象物１２に
搭載されたサーボ型加速度センサーは、この除振台１３
の固有振動数ｆ₀において実質的に９０°の位相差およ
び＋１０〜４０ｄＢのゲインをもっているので、共振領
域のゲインを選択的に増幅でき、除振台１３の除振部材
の共振が発生する周波数帯域（１００Ｈｚ以上）では出
力信号を減衰できる。

【００２７】

【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明の能動型除振装置によれば、基礎、床または地盤等
である設置面上に制御対象物を支持する受動型バネ要素
からなる除振台と、制御対象物の振動を検出するセンサ
ーと、検出された制御対象物振動信号から能動的除振を
するためのドライブ信号を作り出す制御回路と、ドライ
ブ信号により制御対象物に制振力を付加するアクチュエ
ータとを備え、センサーは、除振台の固有振動数に実質
的に合致する固有振動数を有する共振台を介して制御対
象物に搭載されて除振台の固有振動数において実質的に
９０°の位相差および＋１０〜４０ｄＢのゲインをもつ
サーボ型加速度センサーからなることにより、周波数軸
で選択的に加速度センサーの出力を増減でき、アクティ
ブパワーの最も必要な共振領域で最大ゲインを、それ以
降の高域の周波数帯においても制御を安定化させるに十
分なフィルター機能（除振機能）をもたせることが可能
となり、能動（アクティブ）制御に最適な位相差および
ゲインが得られ、図１１に示す理想アクティブ制御が達
成される。

【００２８】また、共振台は機械的なフィルター機能を
もつことになり、後段の電気的な位相補償回路１９の負
担が軽減される。あるいは高域の制御安定性は増大する
ので、この回路でさらに共振領域のゲインを増大させる
ことが可能となる。さらに、共振台により自動的に位相
がアクティブに最適なようシフトするので後段の位相反
転は不要となる。

【００２９】さらにまた、共振台のダンパーの減衰力を
可変にすることで出力信号のゲインと位相のシフトの変
化率を調整できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による能動型除振装置の説明
図。

【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明による能動型除振装置
に使用される除振台および共振台の構成要素を示す図。

【図３】本発明による能動型除振装置によって得られた
周波数−振動伝達率を示すグラフ。

【図４】従来の能動型除振装置の説明図。

【図５】能動型除振装置に使用されるサーボ型加速度セ
ンサーの説明図。

【図６】従来の能動型除振装置によって得られた周波数
−振動伝達率を示すグラフ。

【図７】従来の能動型除振装置において床面上の振動を
考慮したとき得られた周波数−振動伝達率を示すグラ
フ。

【図８】従来の能動型除振装置においてサーボ型加速度
センサーで計測した場合の周波数−振動伝達率を示すグ
ラフ。

【図９】従来の能動型除振装置においてサーボ型加速度
センサーの出力信号を位相反転と高いゲインの増幅を得
るようにした周波数−振動伝達率を示すグラフ。

【図１０】従来の能動型除振装置において開ループ伝達
関数よって制御性をチェックする手法を示す図。

【図１１】能動型除振装置においてパッシブ除振、能動
型（アクティブ）除振および理想的な除振を模式的に示
すグラフ。

【符号の説明】

１０……設置面 １１……受動型バネ要素 １２……制御対象物 １３……除振台 １５……センサー（サーボ型加速度センサー） １６……制御回路（１８……増幅器 １９……位相補償回路 ２０……駆動回路） １７……アクチュエータ ２２……共振台 ｆ……制振力 ｆ₀……除振台の固有振動数 Ｓ₁……制御対象物振動信号 Ｓ₂……ドライブ信号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基礎、床または地盤等である設置面上に制
   御対象物を支持する受動型バネ要素からなる除振台と、
   前記制御対象物の振動を検出するセンサーと、検出され
   た制御対象物振動信号から能動的除振をするためのドラ
   イブ信号を作り出す制御回路と、前記ドライブ信号によ
   り前記制御対象物に制振力を付加するアクチュエータと
   を備え、前記センサーは、前記除振台の固有振動数に実
   質的に合致する固有振動数を有する共振台を介して前記
   制御対象物に搭載されて前記除振台の固有振動数におい
   て実質的に９０°の位相差および＋１０〜４０ｄＢのゲ
   インをもつサーボ型加速度センサーからなることを特徴
   とする能動型除振装置。