JPH0666346A

JPH0666346A - アクティブ振動絶縁装置

Info

Publication number: JPH0666346A
Application number: JP11922992A
Authority: JP
Inventors: Kimio Uchida; 公夫内田; Hidetoshi Yamazoe; 秀敏山添
Original assignee: Showa Electric Wire and Cable Co
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1994-03-08

Abstract

(57)【要約】【目的】空気バネで支持されている制御対象物の変位
応答特性を良好にする。【構成】振動センサと、変位センサと、振動信号から
得られた加速度信号、速度信号および変位信号により駆
動され制御対象物に制御力を注入するアクチュエータと
により振動制御ループを形成すると共に、変位信号およ
び変位信号から得られた変位量信号により駆動され空気
バネの空圧を調整する電気空圧アナログ弁により変位制
御ループを形成したものである。【効果】制御対象物の振動の制御は振動センサ、変位
センサから空気バネの振動制御ループによって行なわ
れ、変位の制御は変位センサから空気バネの変位制御ル
ープによって行なわれ、ミクロン単位の垂直方向の変位
制御を行うことができる。

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、空気バネで支持されている制御対象物の
変位応答特性を良好にし振動絶縁性能を向上させたアク
ティブ振動絶縁装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来から、図６に示すように空気バネ５
０とダッシュポットを使用し、空気バネで支持された精
密機器が搭載された定盤のような制御対象物５１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、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６０−１２１３４
０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。現在、市
販されているアクティブ振動絶縁装置は極めて少ない
が、これを使用するアクチュエータに着目して分類する
と、下記の２種類に分けられる。

【０００４】電気式図７に示すように、制御対象物５１に振動センサ５２を
搭載して振動を検出し、この振動信号をドライバ５３を
介してＶＣＭ（ボイス・コイル・モータ）等の電気によ
って駆動するアクチュエータ５４から振動絶縁装置にエ
ネルギーを注入し、振動絶縁装置の除振或いは絶縁効果
を積極的に高めるものである。

【０００５】空圧式図８に示すように、制御対象物５１に振動センサ５２を
搭載して振動を検出し、この振動信号を電気空圧変換器
５５によって電気空圧信号に変え、空圧アナログ弁（サ
ーボ弁、電気空圧比例弁）５６を開閉し、空気を空気バ
ネ５０に注入することにより空気バネ５０をアクチュエ
ータとして使用し、振動絶縁装置の除振或いは絶縁効果
を積極的に高めるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図７、図８に示すよう
なアクティブ振動絶縁装置において、空気バネ５０内の
圧力を自動調整して制御対象物５１の垂直方向の変位
（位置）、即ちレベルを制御するためには、パッシブ振
動絶縁装置（図６）において使用されている機械式自動
圧力調整器５７が用いられる。この機械式自動圧力調整
器５７は制御対象物５１の変位に機械的に連動して空気
源に接続された空気導入弁を開閉し空気バネ５０内の圧
力を自動調整するものである。

【０００７】この機械式自動圧力調整器として図９にそ
の一例を示す。ここに例示した機械式自動圧力調整器
は、所謂同時作動型に属するものであり、自動圧力調整
弁１７として弁棒３２の下端の弁部３２ａを固定部材３
３のテーパ孔の弁座３３ａに、また上端の弁部３２ｂを
レベル検出機構１６としての可動部材３４のテーパ孔の
弁座３４ａにそれぞれ位置させると共に弁棒３２をバネ
３５により常時押上げて弁部３２ａを弁座３３ａに押し
当てるように構成されている。可動部材３４は箱体３６
内において上下に摺動するものであり、また上部に制御
対象物５１の下面に接するロッド３４ｂが固着されてい
る。今、図の状態から例えば制御対象物５１のレベル変
動に応じてロッド３４ｂを介して可動部材３４が荷重が
加えられて下方に押し下げられたとすると、これに伴な
い弁棒３２もバネ３５の押上げ力に抗して下降し、下端
の弁部３２ａと弁座３３ａ間に空隙を生じ、吸気路３７
から圧縮空気が空間８および空気バネ５０に流入する。
空間８および空気バネ５０内の空気が或る一定以上に達
すると空気バネ５０による制御対象物５１の押上げに伴
ない可動部材３４も上昇して元の位置に復帰されるが、
この復帰が進行して弁部３２ａが弁座３３ａに押し当た
ると、弁部３２ｂと弁座３４ａ間に空隙を生じるので、
空間８および空気バネ５０内でオーバーフローした空気
は排気路４１から排出される。このようにして制御対象
物５１のレベル変動に応じて空気バネ５０内の空気圧は
機械的に自動圧力調整がなされる。

【０００８】しかしながら、この機械式自動圧力調整器
を使用して空気バネ５０内の空気圧を機械的に自動圧力
調整し、垂直方向の変位、即ちレベルを制御しようとす
れば、機械式自動圧力調整器自体の不感帯によって垂直
方向の浮上高さが±２００μｍ程度変化してしまうの
で、正確な垂直方向の変位制御ができない。また、制御
対象物５１に搭載された振動センサ５２に変位センサを
付加し、図５に示すように、この変位センサからの信号
をドライバ５３を介してＶＣＭ（ボイス・コイル・モー
タ）等の電気によって駆動するアクチュエータ５４から
振動絶縁装置にエネルギーを注入し、振動制御と共に、
変位制御を行うアクティブ振動絶縁装置が提案されてい
る。このようなアクティブ振動絶縁装置は、制御対象物
５１の搭載荷重が小さいときはＶＣＭ（ボイス・コイル
・モータ）等の電気によって駆動するアクチュエータ５
４が働くが、ステッパーのステージの移動のように搭載
荷重が大きく、ステップ移動するものは、発生する振動
（制御対象物５１の傾きも含む）も大きくなるため、叙
上の機械式自動圧力調整器が動作するようになる。この
ため浮上高さの変位制御は機械式自動圧力調整器に依存
することになり、ミクロン単位の制御を行うことはでき
ない。

【０００９】

【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、空気バネで支持されている制御対象物の変位
応答特性を良好にし振動絶縁性能を向上させたアクティ
ブ振動絶縁装置を提供せんとするものである。

【００１０】

【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、制御対象物と空気バネの設
置面間の変位を検出して変位信号を出力する変位センサ
と、振動信号から得られた加速度信号、速度信号および
変位信号から選ばれた信号により駆動され制御対象物に
制御力を注入するアクチュエータとにより振動制御ルー
プを形成すると共に、変位信号および変位信号から得ら
れた変位量信号により駆動され空気バネの空圧を調整す
る電気空圧アナログ弁により変位制御ループを形成した
ものである。

【００１１】

【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および変位センサにより
制御対象物の振動および変位が検出される。この検出さ
れた振動信号および変位信号はアクチュエータを駆動し
て制御対象物に制御力を注入して振動制御が行われる。

【００１２】一方、変位センサにより検出された制御対
象物のレベル変動は、制御対象物のレベル変動に応じて
検出変位が電気空圧アナログ弁を駆動し、空気バネの空
圧が調整され、制御対象物の垂直方向の変位の制御が行
なわれる。このようにして制御対象物の振動の制御は振
動センサ、変位センサから空気バネの振動制御ループに
よって行なわれ、変位の制御は変位センサから空気バネ
の変位制御ループによって行なわれ、ミクロン単位の垂
直方向の変位制御を行うことができ、振動絶縁性能が総
合的に向上する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明のアクティブ振動絶縁装置を実
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。制御対象物１２には振
動を検出して振動信号Ｓ₁を出力する振動センサ１３が
搭載されている。制御対象物１２と空気バネ１１の設置
面１０間にはその相対変位を検出して相対変位信号Ｓ₂
を出力する非接触変位センサ１４が制御対象物１２また
は空気バネ１１、設置面１０の何れかに搭載されてい
る。

【００１４】振動信号Ｓ₁および相対変位信号Ｓ₂が印加
される振動制御回路４５並びに相対変位信号Ｓ₂が印加
される変位制御回路４６が設けられている。振動制御回
路４５および変位制御回路４６の出力部は加算器２７に
接続されている。加算器２７の出力部は電気空圧アナロ
グ弁３０に接続されている。この電気空圧アナログ弁と
しては、サーボ弁（ノズルフラッパー）、電気空圧比例
弁（スプール弁）、電気空圧レギュレータ（ノズルフラ
ッパー他）などが採用される。

【００１５】コンプレッサなどの空圧源４１はレギュレ
ータ４０を介して入力配管４７により電気空圧アナログ
弁３０に接続されている。圧縮空気は電気空圧アナログ
弁３０の制御により出力配管４８を介して空気バネ１１
に給気され、また空気バネ１１からの圧縮空気は電気空
圧アナログ弁３０の制御により排気管４９を介して排気
される。空圧式アクチュエータとして空気バネ１１が駆
動されることにより制御対象物１２には制御力が注入さ
れる。

【００１６】振動制御回路４５は、振動信号Ｓ₁から加
速度信号、速度信号を得るもので、変位信号Ｓ₂と共に
振動制御信号を生成し、これによって制御対象物１２を
振動から絶縁するように空圧式アクチュエータとしての
空気バネ１１を電気空圧アナログ弁３０の制御により駆
動する回路手段である。また、相対変位信号Ｓ₂が印加
される変位制御回路４６は、相対変位信号Ｓ₂から変位
量信号を得るもので、これによって、制御対象物１２の
変位を所定位置に維持するために空気バネ１１の空圧を
調整するよう電気空圧アナログ弁３０を駆動する回路手
段である。

【００１７】このようにして振動信号Ｓ₁を出力する振
動センサ１３と、相対変位信号Ｓ₂を出力する非接触変
位センサ１４と、振動信号Ｓ₁から得られた加速度信
号、速度信号および変位信号Ｓ₂から選ばれた信号によ
り駆動され制御対象物１２に制御力を注入するアクチュ
エータとしての空気バネ１１とにより振動制御ループＣ
₁が形成される。また、変位信号Ｓ₂から得られた変位量
信号により駆動され空気バネ１１の空圧を調整する電気
空圧アナログ弁３０により変位制御ループＣ₂が形成さ
れる。

【００１８】この振動制御ループＣ₁において使用され
る振動センサ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、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、加速
度信号は、速度を１回微分することにより得られる。ま
た、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、速度信号は加速度を１回積分することにより
得られる。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Ｉ
Ｃ、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。

【００１９】この実施例において振動制御ループＣ₁に
おいて振動センサ１３としては加速度センサが使用され
ており、図２に示すように振動センサ１３からの加速度
振動信号Ｓ₁はハイパスフイルタ１８に入力され、ハイ
パスフイルタ１８の出力部は増幅器１９と、積分器２０
を介して増幅器２１とに接続されている。このハイパス
フイルタ１８は、加速度センサが温度によってゼロ点が
ドリフトするのでＤＣ成分をカットし温度特性を向上さ
せるために使用される。また、積分器２０は、加速度振
動信号Ｓ₁から速度信号を生成するために使用される。
増幅器１９および増幅器２１からの増幅された加速度信
号および速度信号はそれぞれローパスフイルタ２２、２
３に入力されている。これらのローパスフイルタ２２、
２３は高周波成分をカットし発振を防止するために使用
されている。

【００２０】また、振動制御ループＣ₁において非接触
変位センサ１４としては、例えば、渦電流素子、差動ト
ランス、ＬＥＤ、レーザー素子等が採用できる。図２に
示すように非接触変位センサ１４から前置増幅器２４を
介して出力される相対変位信号Ｓ₂はハイパスフイルタ
２５に入力され、ハイパスフイルタ２５は増幅器２６に
接続されている。ハイパスフイルタ２５は、ＤＣ成分を
カットし特性を向上させるために使用される。一般に非
接触変位センサ１４は０〜＋数ｖの電圧を発生するので
ゼロ点を境にして±の電圧を発生するようにゼロ点調整
を行なうために減算器を介在させてもよい。

【００２１】ローパスフイルタ２２、２３および増幅器
２６からの電気信号は加算器２７に入力されている。振
動制御ループＣ₁において加算器２７の出力部は、出力
部はドライバー２８に接続されている。ドライバー２８
からの電気信号は電気空圧アナログ弁３０に入力され、
電気空圧アナログ弁３０が開閉され、空気を空気バネ１
１に給気、空気バネ１１から空気を排気することにより
空圧式アクチュエータとして空気バネ１１が駆動される
ことにより制御対象物１２には制御力が注入される。

【００２２】また、変位制御ループＣ₂において、非接
触変位センサ１４から前置増幅器２４を介して得られる
相対変位信号Ｓ₂は、加算器２９の一方の入力部に接続
され、加算器２９の他方の入力部には基準位置信号Ｓ₀
が入力されている。加算器２９は、相対変位信号Ｓ₂と
基準位置信号Ｓ₀との差をとって差信号を出力する機能
をもっている。なお、この相対変位信号Ｓ₂は、ローパ
スフイルタを介在させ交流成分をカットしてから加算器
２９と増幅器３７に入力してもよい。

【００２３】加算器２９の出力部は、積分器３２、微分
器３４、増幅器３７に接続されている。積分器３２は、
相対変位信号Ｓ₂から、詳しくは相対変位信号Ｓ₂と基準
位置信号Ｓ₀との差信号から変位量信号を生成するため
に使用される。微分器３４は、相対変位信号Ｓ₂からか
ら、詳しくは相対変位信号Ｓ₂と基準位置信号Ｓ₀との差
信号から速度信号を生成するために使用される。積分器
３２および微分器３４の出力部はそれぞれ増幅器３３、
３５に接続されている。増幅器３３、増幅器３５、増幅
器３７からの増幅された変位量信号、速度信号、変位信
号は加算器２７に入力されている。この変位制御ループ
Ｃ₂において、電気空圧アナログ弁３０を駆動する信号
に変位信号から得られた速度信号を加算する回路を加算
器２９、微分器３４、増幅器３５によって構成すること
により、積分器３２で生成される変位量信号による応答
の遅れをスピードアップすることができる。

【００２４】図１、図２に示す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１
０上に空気バネ１１で支持された制御対象物１２上に搭
載された加速度センサである振動センサ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はハイパスフイルタ１８に入力される。ハイパス
フイルタ１８は、加速度センサが温度によってゼロ点が
ドリフトするのでＤＣ成分をカットし温度特性を向上さ
せる。ハイパスフイルタ１８の出力は積分器２０に入力
され速度信号を生成し、増幅器１９と増幅器２１からは
増幅された加速度信号と速度信号がそれぞれ得られる。
増幅器１９および増幅器２１からの増幅された加速度信
号および速度信号はそれぞれローパスフイルタ２２、２
３に入力され、高周波成分をカットし発振が防止され
る。

【００２５】さらに、非接触変位センサ１４からは制御
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Ｓ₂を出力する。相対変位信号Ｓ₂
は前置増幅器２４に入力され、ハイパスフイルタ２５で
ＤＣ成分をカットし特性を向上させてから、増幅器２６
に入力される。ローパスフイルタ２２、２３からの加速
度信号、速度信号および増幅器２６からの相対変位信号
は加算器２７に入力され、加算器２７の出力はドライバ
ー２８に印加される。ドライバー２８からの電気信号は
電気空圧アナログ弁３０に入力され、電気空圧アナログ
弁３０が開閉され、空気を空気バネ１１に給気、また空
気バネ１１から空気を排気することにより空圧式アクチ
ュエータとして空気バネ１１が駆動されることにより制
御対象物１２には振動制御力が注入される。このため振
動制御ループＣ₁により制御対象物１２はアクティブ振
動絶縁が施される。

【００２６】一方、変位制御ループＣ₂において、非接
触変位センサ１４から検出され制御対象物１２と空気バ
ネ１１の設置面１０間の相対変位を示す相対変位信号Ｓ
₂は、前置増幅器２４を介して出力される。この相対変
位信号Ｓ₂は、加算器２９の一方の入力部に印加され、
加算器２９の他方の入力部に入力されている基準位置信
号Ｓ₀との差信号が得られる。この差信号は、制御対象
物１２と空気バネ１１の設置面１０間の相対変位した垂
直方向の距離と基準位置との差を示している。さらに、
相対変位信号Ｓ₂は、増幅器３７に入力されると共に、
基準位置信号Ｓ₀との差信号から積分器３２で変位量信
号を生成し、微分器３４で変位速度信号を生成する。積
分器３２および微分器３４の出力はそれぞれ増幅器３
３、３５で増幅される。増幅器３７、３３、３５で増幅
された変位信号、変位量信号および変位速度信号は加算
器２７に入力され、加算器２７の出力はドライバー２８
に印加される。ドライバー２８からの電気信号は電気空
圧アナログ弁３０に入力され、電気空圧アナログ弁３０
が開閉され、空気を空気バネ１１に給気、また空気バネ
１１から空気を排気することにより空気バネ１１が駆動
されることにより制御対象物１２には変位制御力が注入
される。このため変位制御ループＣ₂により制御対象物
１２はアクティブ変位調整が施される。このようにして
空気バネ１１の空圧を調整するよう電気空圧アナログ弁
３０が駆動され、制御対象物１２の変位、即ちレベルを
所定位置に制御する。

【００２７】また、微分器３４で生成された変位速度信
号を加えられることにより積分器３２で生成される変位
量信号による応答の遅れをスピードアップすると共に、
変位制御にダンピングをかけ、制御の安定性を向上す
る。この場合、空気バネ１１による制御対象物１２への
上下動は当然それぞれ制御対象物１２のレベル変動をも
たらすので、振動センサ１３、非接触変位センサ１４へ
のフィードバック系を構成する。そして、制御対象物１
２の振動の制御は振動センサ１３、非接触変位センサ１
４から空気バネ１１の変位制御ループＣ₂によって行な
われ、変位の制御は非接触変位センサ１４から空気バネ
１１の変位制御ループＣ₂によって行なわれ、ミクロン
単位の垂直方向の変位制御を行うことができ、振動絶縁
性能が総合的に向上する。

【００２８】図１、図２に示す本発明のアクティブ振動
絶縁装置において、制御対象物１２に１１ｋｇの荷重を
載せ、電気空圧アナログ弁３０としてサーボバルブを用
いて、アクティブ振動制御と変位制御を行ったときの変
位応答特性を図４に示す。また、制御対象物１２に１１
ｋｇの荷重を載せた同じアクティブ振動絶縁装置におい
て、アクティブ振動制御と図９図に示す機械式自動圧力
調整器による変位制御を行ったときの変位応答特性を図
５に示す。これらの測定条件として、対象物５１として
定盤に３００ｇの荷重を片持式に加えたときの時間応答
を観測したものである。

【００２９】これらの比較から明らかなように本発明の
アクティブ振動絶縁装置におけるサーボバルブの変位応
答は２ｓｅｃで３０μｍまで復帰するが、機械式自動圧
力調整器では２００μｍ変位しても復帰しないことがわ
かる。以上の例においては、振動制御ループＣ₁と変位
制御ループＣ₂のアクチュエータとして電気空圧アナロ
グ弁３０によって空気バネ１１を空圧制御したが、図３
に示すように振動制御ループＣ₁にＶＣＭ（ボイス・コ
イル・モータ）等の電気によって駆動する電気式アクチ
ュエータ１１ａを使用し、変位制御ループＣ₂について
のみ電気空圧アナログ弁３０によって空気バネ１１を空
圧制御してもよい。

【００３０】また、以上の例で振動制御方式は、加速
度、速度、相対変位の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
に応じて加速度、速度、相対変位から成る群から選ばれ
た２信号を用いて制御することもできる。

【００３１】

【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、制御対象物と空気バネの設
置面間の変位を検出して変位信号を出力する変位センサ
と、振動信号から得られた加速度信号、速度信号および
変位信号から選ばれた信号により駆動され制御対象物に
制御力を注入するアクチュエータとにより振動制御ルー
プを形成すると共に、変位信号および変位信号から得ら
れた変位量信号により駆動され空気バネの空圧を調整す
る電気空圧アナログ弁により変位制御ループを形成した
ことにより、制御対象物の振動の制御は振動センサ、変
位センサから空気バネの振動制御ループによって行なわ
れ、変位の制御は変位センサから空気バネの変位制御ル
ープによって行なわれ、ミクロン単位の垂直方向の変位
制御を行うことができ、振動絶縁性能が総合的に向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例によるアクティブ振動絶縁装
置の説明図。

【図２】図１における振動絶縁装置の制御系を示すブロ
ック図。

【図３】本発明の他の実施例によるアクティブ振動絶縁
装置の説明図。

【図４】図１、図２におけるアクティブ振動絶縁装置の
変位応答特性図。

【図５】従来の機械式自動圧力調整器による変位制御を
行ったときの変位応答特性図。

【図６】従来のパッシブ振動絶縁装置の説明図。

【図７】従来のアクティブ振動絶縁装置の説明図。

【図８】従来のアクティブ振動絶縁装置の説明図。

【図９】従来の機械式自動圧力調整器を用いた振動絶縁
装置の説明図。

【符号の説明】１０……空気バネの設置面１１……空気バネ（アクチュエータ）１２……制御対象物１３……振動センサ１４……変位センサ１６……レベル検出機構１７……圧力調整弁３０……電気空圧アナログ弁Ｃ₁……振動制御ループＣ₂……変位制御ループＳ₁……振動信号Ｓ₂……変位信号

Claims

【特許請求の範囲】

【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、前記制御対象物と前記空気バネの設置面間の変位を
検出して変位信号を出力する変位センサと、前記振動信
号から得られた加速度信号、速度信号および前記変位信
号から選ばれた信号により駆動され前記制御対象物に制
御力を注入するアクチュエータとにより振動制御ループ
を形成すると共に、前記変位信号および前記変位信号か
ら得られた変位量信号により駆動され前記空気バネの空
圧を調整する電気空圧アナログ弁により変位制御ループ
を形成したことを特徴とするアクティブ振動絶縁装置。