JPH10110776A

JPH10110776A - 能動的除振装置

Info

Publication number: JPH10110776A
Application number: JP8284589A
Authority: JP
Inventors: Shinji Wakui; 伸二涌井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-10-08
Filing date: 1996-10-08
Publication date: 1998-04-28
Anticipated expiration: 2016-10-08
Also published as: JP3720490B2

Abstract

(57)【要約】【課題】除振台の目標位置からのずれを防止する。【解決手段】除振台と、該除振台に駆動力を付与する
空気バネアクチュエータと、前記除振台の振動を検出す
る振動検出手段と、前記除振台の位置を検出する位置検
出手段と、前記振動検出手段の出力によってダンピング
を与える加速度フィードバックループと、前記位置検出
手段の出力から位置偏差信号を生成して補償を掛ける位
置ループと、位置偏差信号を補償する安定化補償器とを
有する能動的除振装置において、前記安定化補償器を、
ＰＩ補償器に積分器を１個追加したＰＩ² 補償器で構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、床振動の除振台へ
の伝播を抑制する能動的除振装置に関する。本発明は、
特に、露光用ＸＹステージを搭載してなる半導体露光装
置の一構成ユニットとして好適に使用される能動的除振
装置であって、空気バネアクチュエータを用いた空気バ
ネ式能動的除振装置に好適に適用される。

【０００２】

【従来の技術】除振台上には振動を嫌う機器群が搭載さ
れる。例えば、光学顕微鏡や露光用ＸＹステージなどで
ある。特に、ステップアンドリピート方式の半導体露光
装置における露光用ＸＹステージの場合、適切かつ迅速
な露光が行なわれるべく外部から伝達する振動を極力排
除した除振台上に同ステージは搭載されねばならない。
なぜならば、露光は露光用ＸＹステージが完全停止の状
態で行なわれねばならないからである。さらに、露光用
ＸＹステージはステップアンドリピートという間欠運動
を動作モードとして持ち、繰り返しのステップ振動を自
身が発生しこれが除振台の揺れを惹起せしめることにも
注意せねばならない。この種の振動が整定しきれないで
残留する場合にも、露光動作に入ることは不可能であ
る。したがって、除振台には、外部振動に対する除振
と、搭載機器自身の運動に起因した強制振動に対する制
振性能をバランスよく実現することが求められる。

【０００３】なお、近年ＸＹステージを完全停止させて
から同ステージ上搭載のシリコンウエハに対して露光光
を照射するステップアンドリピート方式の半導体露光装
置に代わって、ＸＹステージなどをスキャンさせながら
露光光をシリコンウエハ上に照射するスキャン方式の半
導体露光装置も登場してきた。このような装置に使われ
る除振台に対しても、外部振動の除振と、搭載機器の運
動に起因した強制振動に対する制振性能とをバランスよ
く満たすことが求められることは同様である。

【０００４】さて、周知のように除振台は受動的なもの
と能動的なものとに実現形態が分類される。除振台上の
搭載機器に求められる高精度位置決め、高精度スキャ
ン、高速移動などへの要求に応えるべく近年は能動的除
振装置を用いる傾向にある。それに用いられるアクチュ
エータとしては空気バネ、ＶＣＭ（ボイスコイルモー
タ）、圧電素子などが知られている。ここでは、先ず、
空気バネをアクチュエータとした能動的除振装置を対象
にして具体的説明を行なう。

【０００５】図２１は、空気バネをアクチュエータとす
る従来の能動的除振装置の構成を示す。同図において、
１はＸＹステージなどの精密機器を搭載する除振台、２
ａ〜ｄは空気バネと動作流体の空気を給排気するサーボ
バルブ（不図示）とを含めた空気バネアクチュエータ、
３ａ〜ｄは鉛直方向の変位を計測する位置計測手段、４
ａ〜ｄは鉛直方向の振動を検出する振動検出手段であ
る。位置計測手段３ａ〜ｄとしては、渦電流式変位セン
サ、静電容量センサ、光電変換素子を応用した位置検出
センサなどが、振動検出手段４ａ〜ｄとしては加速度セ
ンサやジオフォンセンサなどが使用できる。除振台１の
４隅には、上述の空気バネアクチュエータ２ａ〜ｄ、位
置計測手段３ａ〜ｄおよび振動検出手段４ａ〜ｄなどを
主たる構成要素として内蔵する空気バネ式支持脚５ａ〜
ｄを配置し除振台１とその上に搭載する機器とを支持し
ている。なお、除振台１を水平方向に支持する主構成要
素については不図示であるが、上述した鉛直方向と同様
になる。

【０００６】次に、空気バネ式支持脚５ａ〜ｄに対する
フィードバック装置の構成とその動作を説明する。ま
ず、加速度センサなどの振動検出手段４ａ〜ｄの出力
は、適切な増幅度と時定数とを有するゲイン補償器６ａ
〜ｄを介して空気バネアクチュエータに含めたサーボバ
ルブ（不図示）の弁開閉用の電圧電流変換器７ａ〜ｄの
前段に負帰還している。この加速度フィードバックルー
プによりダンピングが付与され機構の安定化が図られて
いる。さらに、位置検出手段３ａ〜ｄの出力は変位増幅
器８ａ〜ｄを通って比較回路９ａ〜ｄへの入力となって
いる。ここでは、目標電圧入力端子１０ａ〜ｄに設定し
た電圧との比較が行なわれて位置偏差信号（ｅ_a ，ｅ
_b ，ｅ_c ，ｅ_d ）を生成する。目標電圧入力端子１０ａ
〜ｄに設定する電圧は、空気バネ式支持脚５ａ〜ｄの設
置面を基準にした除振台１の平衡位置と等価なものであ
る。続いて、位置偏差信号はＰＩ補償器１１ａ〜ｄを通
り、この信号と加速度フィードバックループの負帰還信
号とを加算してなる駆動信号で電圧電流変換器７ａ〜ｄ
をドライブする。すると、サーボバルブの弁開閉によっ
て空気バネの内圧が調整されて除振台１は目標電圧入力
端子１０ａ〜ｄで設定した所望の位置に定常偏差なく保
持できる。ここで、ＰＩ補償器のＰは比例を、Ｉは積分
動作をそれぞれ意味する。空気バネアクチュエータを有
する空気バネ式支持脚５ａ〜ｄは、大重量物を搭載する
除振台を支持する能力がある。

【０００７】図２２は、除振台１の上に搭載され強烈な
加減速運転を行うＸＹステージ１２の構造を示す。同図
において、１３はＸステージ、１４はＸステージ１３の
上に搭載するシリコンウエハ１５を微細に位置決めする
ための微動ステージ、１６はＹステージ、１７ＹＲと１
７ＹＬはともにＹステージ１６を駆動するリニアモータ
の可動子（Ｘステージ１３の可動子は不図示）、１８Ｘ
はＸステージ１３を駆動するリニアモータの固定子であ
るコイル、１９ＹＲと１９ＹＬはＹステージ１６を駆動
するために左右に配置したリニアモータの固定子である
コイル、２０はステージ定盤、２１ＸはＸ軸計測用のバ
ーミラ、２１ＹはＹ軸計測用のバーミラである。

【０００８】さて、空気バネ式能動的除振装置は、応答
性は悪いが荷重支持能力が高いという特徴がある。対し
て、ボイスコイルモータに代表される電磁式アクチュエ
ータを用いた能動的除振装置は、速い応答性を持つもの
の支持荷重能力は高くない。上述した空気バネ式能動的
除振装置の特徴を踏まえ図２３の実験事実を観察する。
同図（Ａ）は、除振台搭載のＸＹステージ１２がステッ
プアンドリピート駆動したときの、空気バネ式能動的除
振装置の位置偏差信号の一例である。ＸＹステージのス
テップ駆動に原因した過渡現象としての先鋭的な揺動
に、ステップ駆動が繰り返され且つその極性が反転する
ことに原因した低周波の大きなうねりが重畳した位置偏
差信号になっている。このような挙動は適切な数学モデ
ルを使った数値実験でも確認できる。同図（Ｂ），
（Ｃ）に数値実験の一例を示すが、実測結果と同様の傾
向が模擬できていることが分かる。

【０００９】ここで、位置偏差信号の振る舞いを定性的
に解釈する。まず、ＸＹステージ１２を略一定周期で急
激に加減速する際のパルス状波形（以下、「バンバン状
の波形」と称する）によるステップ駆動によって空気バ
ネ式能動的除振装置の固有周期で過渡現象が引き起こさ
れる。この過渡現象の零への収束は時間が掛かるが、位
置偏差信号が零に収束しきれないうちに次のステップ駆
動がなされ再び過渡現象が生起される。その現象も収束
が不十分な状態となり、次々とステップ駆動を受けるの
で収束しきれない位置偏差が蓄積していき、結果として
位置偏差信号のシフトが生じる。位置偏差信号のシフト
には、上述した収束性の悪さに原因するものに加え、ス
テップアンドリピートによってＸＹステージ１２の可動
部が移動するという移動荷重によっても引き起こされる
ことに注意したい。

【００１０】さて、位置偏差信号のシフトは、もちろん
除振台を含めた本体装置が目標電圧で指定した平衡位置
からずれることを意味する。例えば、図２３に示す位置
偏差信号がＸ方向の位置偏差信号である場合には、除振
台を含めた本体装置が初期の平衡位置から徐々にＸ方向
に移動してしまったことを意味する。また、その位置偏
差信号がｘ軸回りの回転である場合には、除振台を含め
た本体装置が初期の平衡位置から徐々にｘ軸回りに傾い
たことを意味する。

【００１１】このような現象抑制のため、ＸＹステージ
の駆動信号を適切に補償しそれを能動的除振装置のアク
チュエータにフィードフォワードする技術が開示されて
いる。例えば、特開平６−２１６００３号『ステージ装
置』が挙げられる。しかし、空気バネ式能動的除振装置
の応答は緩慢でありフィードフォワードによって図２３
（Ａ）の如き位置偏差信号の揺動が抑制できるものでは
ない。また、ボイスコイルモータなどの電磁アクチュエ
ータを使用する能動的除振装置の場合、ＸＹステージの
ステップ駆動に原因する除振台の過渡現象を抑制する能
力はあるものの、除振台のシフトを補正して平衡位置に
戻す能力は持ち合わせていない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】空気バネ式能動的除振
装置における課題を整理すると以下の通りである。同能
動的除振台に搭載される機器の中でＸＹステージは、ス
テップアンドリピートという間欠運転を動作モードとし
て持つ。この動作は強烈な駆動反力を除振台に与える。
また、スループット（生産性）向上のため、ステップア
ンドリピートの周期は徐々に短縮化されている。このと
き、除振台の固有周波数は例えば２〜３Ｈｚといった低
周波域にあり、それよりも格段に速い周期でＸＹステー
ジが駆動されること、およびＸＹステージの連続駆動に
よって除振台に対する荷重が移動するということとに起
因した問題が発生する。

【００１３】除振台の固有周期よりもはるかに早い周期
の運転がなされると、ステップ駆動に起因した過渡現象
が減衰しきれないうちに次々とステップ駆動がなされ、
結果として位置偏差信号のマクロトレンドがシフトして
しまう。時変の移動荷重があると、その影響を抑制する
駆動力は発生するが、これも応答が間に合わず位置偏差
信号のシフトを引き起こすのである。

【００１４】極低周波のシフト成分の存在は、除振台の
平衡位置からの移動、あるいは回転があることを意味す
る。ステップアンドリピート中の除振台のシフトと回転
は、除振台を含めた本体に静的動的な歪を与え、半導体
露光装置の場合には投影光学系（不図示）を歪ませるこ
とにつながり装置性能の劣化を招く。また、除振台を含
めた装置全体あるいは不図示の精密機器の設置規準を侵
害することがあった。

【００１５】本発明は、上述の従来例における問題点に
鑑みてなされたもので、除振台の目標位置からのずれを
防止することを第１の目的とする。

【００１６】図２４は、空気バネをアクチュエータとす
る従来の他の空気バネ式防振装置の構成を示す。同図に
おいて、２は空気バネ、３は除振台１の変位を計測する
位置センサ、４は除振台１の振動を検出する振動セン
サ、４１は空気バネ２へ動作流体の空気を給気および排
気するサーボバルブ、４２は予圧手段、４３は空気バネ
２と予圧手段４２および不図示の機構全体の粘性を表現
する粘性要素である。これらの構成部品から組み合わさ
れる機構は空気バネ式支持脚５と呼ばれる。なお、位置
センサ３としては、渦電流式変位センサ、静電容量セン
サ、光電変換素子を応用した位置検出センサなどが、振
動センサ４としては加速度センサやジオフォンセンサな
どが使用できる。

【００１７】次に、空気バネ式支持脚５に対するフィー
ドバック装置５０の構成とその動作を説明する。まず、
加速度センサに代表される振動センサ４の出力は、適切
な増幅度と時定数とを有するフィルタ６を介してサーボ
バルブ４１の弁開閉用の電圧電流変換器７の前段に負帰
還している。この加速度フィードバックループにより機
構の安定化が図られる。すなわち、ダンピングが付与さ
れる。さらに、位置センサ３の出力は変位増幅器８を通
って比較回路９への入力となっている。ここでは、空気
バネ式支持脚５の設置面に対する目標位置と等価な目標
電圧設定手段１０の出力電圧（平衡位置目標電圧）ｒ₀
と比較されて偏差信号ｅとなる。この偏差信号ｅはＰＩ
補償器１１を通って電圧電流変換器７をドライブする。
すると、サーボバルブ４１の弁開閉によって空気バネ２
内の圧力が調整されて除振台１は目標電圧設定手段１０
で設定した所望の位置に定常偏差なく保持できる。ここ
で、Ｐは比例を、Ｉは積分動作をそれぞれ意味する。

【００１８】空気バネ２をアクチュエータとした空気バ
ネ式支持脚５は、除振台１の上に大重量物を搭載できる
能力を持つ。しかし、空気バネ式支持脚５とフィードバ
ック装置５０とからなる空気バネ式防振装置に対して高
速応答を期待することはできない。しかしながら、ＰＩ
補償器１１に代えてＰ補償器を使用することによって、
高速応答の実現が図れることがわかっている。図２５
は、Ｐ補償器とＰＩ補償器という差異による除振台の立
ち上がり特性、すなわち設置した除振台が目標位置に収
束するまでの時間応答を示す実験結果である。ＰＩ補償
器の場合には大きなオーバシュートが発生したのち収束
するが、Ｐ補償器の場合にはオーバシュート無く収束し
ている。また、図２６はＰＩ補償器とＰ補償器の違いに
起因した目標値ステップ応答の実験結果である。図２５
の立ち上がり特性と同様に、ＰＩ補償器の場合には振動
的応答波形が生じてから後に収束するが、Ｐ補償器の場
合にはオーバシュートおよびアンダーシュートは生じな
い。このように、ＰＩ補償器に代えてＰ補償器を用いる
ことによって、応答の収束性が高められる。しかしなが
ら、Ｐ補償器を用いた場合であって除振台の位置決め目
標位置を変更したり、あるいは外乱が入力されたとき、
僅かながら定常偏差が発生してしまう問題が発生する。
もちろん、ＰＩ補償器を使用した場合には定常偏差は発
生しない。

【００１９】上述の実験結果を除振台の制御ブロックに
基づいて説明する。１自由度で表現した除振台の制御ブ
ロック図は図２７のように表現できる。図示の記号を用
いて、除振台とそれに対して施される加速度フィードバ
ックループを含めた破線内の伝達関数は次式となる。

【００２０】

【数１】ただし、図２７および上式における記号の意味は、ｘ：
除振台の変位［ｍ］、ｖ_d ：電圧電流変換器７の入力電
圧［Ｖ］、ｒ₀ ：目標電圧［Ｖ］、ｒ_s ：位置検出電圧
［Ｖ］、Ｍ：質量［ｋｇ］、Ｃ：粘性摩擦係数［Ｎ・ｓ
ｅｃ／ｍ］、Ｋ：バネ定数［Ｎ／ｍ］、ｋ_air ：電圧電
流変換器７の入力から空気バネ２が発生する駆動力まで
の積分ゲイン［（Ｎ／Ｖ）・ｓｅｃ］、ｋ_a ：加速度セ
ンサ４から電圧電流変換器７の入力までの変換ゲイン
［Ｖ・ｓｅｃ² ／ｍ］、ｋ_s ：位置検出の変換ゲイン
［Ｖ／ｍ］、ｋ_p ：ＰＩ補償器のゲイン［Ｖ／Ｖ］、
Ｔ：ＰＩ補償器の時定数［ｓｅｃ］、ｓ：ラプラス演算
子である。

【００２１】（３）式より、ｋ_a によってダンピングが
付与できていることが分かる。サーボバルブを駆動する
電圧電流変換器７の入力から空気バネの駆動力までの伝
達特性は図中でｋ_air ／ｓと表現されており、変換ゲイ
ンｋ_a の加速度フィードバックでダンピングが付与でき
ているのもこの積分特性を利用するためである。また、
（１）式より加速度フィードバックを含めた制御対象の
伝達関数には、依然として積分器が含まれており、制御
理論の教えるところによれば１形の系であるから、ゲイ
ン要素（Ｐ補償器）で位置の閉ループ系を構成しても、
定常偏差なく目標値に保持可能である。さらには、外乱
が入力しても位置偏差を零に収束させ得る筈である。実
際にも、Ｐ補償器による位置制御系で目標値に定常偏差
なく収束させるように調整できる。しかし、先にも述べ
たように目標値を変更したり、外乱が印加されると現実
には定常偏差が発生してしまうのである。これは、図２
７の中でｋ_air ／ｓと表現した理想的な積分特性からの
ずれに起因する。サーボバルブへの駆動入力から空気バ
ネの発生力までの特性は極低周波域では積分特性からの
ずれが在り一般的には平坦なゲイン特性になっているの
である。

【００２２】以上の従来例が有する問題点をまとめると
以下のようになる。

【００２３】従来、空気バネをアクチュエータとした空
気バネ式防振装置の従来のフィードバック装置内にはＰ
Ｉ補償器が用いられていた。制御理論の教えるところに
よれば、閉ループは１形となるので目標値入力に対して
定常偏差なく保持可能となり、また外乱が入力しても定
常偏差を零に収束させることができる。しかし、応答は
緩慢でかつオーバシュートが発生するという問題があっ
た。

【００２４】本発明は、これらのオーバシュートを抑制
し且つ速応性を改善した空気バネ式防振装置を提供する
ことを第２の目的とする。

【００２５】周知のように、空気バネをアクチュエータ
とする空気バネ式支持脚５は、大重量物を搭載した除振
台を支持する能力がある。しかるに、能動的除振装置に
あっては、フィードバック装置５０の投入によって形成
する閉ループ系の特性が除振・制振性能を唯一に決定し
てしまうことが問題であった。そこで、閉ループが定め
る除振・制振性能を凌駕するために積極的にフィードフ
ォワード信号を閉ループ系に注入することが行なわれて
いる。公知資料としては、例えば、特開平６−２１６０
０３『ステージ装置』がある。しかし、空気バネ式支持
脚５とフィードバック装置５０とからなる能動的除振装
置にフィードフォワード信号を注入しても著しい改善は
期待できなかった。その理由は元々低い応答能力しか持
たないからである。

【００２６】空気バネをアクチュエータにした能動的除
振装置は、外乱および目標入力に対する応答がともに極
めて緩慢である。既に述べたように、能動的除振装置に
は、搭載機器の運転による影響を抑圧する制振能力と、
外部から伝達してくる振動を遮断する除振能力のバラン
スある実現が求められる。その中で、特に、除振台に搭
載する精密機器、例えばＸＹステージのステップアンド
リピート駆動の影響を抑制する制振性能の向上が望まれ
ていた。

【００２７】従来から、精密機器の加減速運転に原因す
る除振台の揺れや姿勢変化を抑制するべく同運転の信号
を閉ループ系にフィードフォワードする技術は開示され
ていた。しかし、加減速運転する搭載機器の信号を単純
にフィードフォワードするだけでは外乱の影響を速やか
に抑制することはできなかった。

【００２８】本発明は除振台の平衡位置周りでの姿勢変
化を補正することを第３の目的とする。

【００２９】図２８を参照して空気バネをアクチュエー
タとする従来のさらに他の能動的除振装置の構成とその
動作を説明する。同図において、４１は空気バネ２へ動
作流体の空気を給排気するサーボバルブ、３は除振台１
の変位を計測する位置センサ、４２は予圧手段、４３は
空気バネ２と予圧手段４２および不図示の機構全体の粘
性を表現する粘性要素である。これらの構成部品から組
み合わされる機構は空気バネ式支持脚５と呼ばれる。

【００３０】次に、空気バネ式支持脚５に対するフィー
ドバック装置５０の構成とその動作を説明する。まず、
加速度センサなどの振動センサ４の出力は、適切な増幅
度と時定数とを有するフィルタ６を介してサーボバルブ
４１の弁開閉用の電力増幅器７の前段に負帰還してい
る。この加速度フィードバックループにより機構の安定
化が図られる。すなわち、ダンピングが付与される。さ
らに、位置センサ３の出力は変位増幅器８を通って比較
回路９への入力となっている。ここでは、空気バネ式支
持脚５の設置面に対する目標位置と等価な目標電圧ｒ₀
を発生する目標電圧設定手段１０の出力電圧と比較され
て偏差信号ｅとなる。この偏差信号ｅはＰＩ補償器１１
を通って電力増幅器７を駆動する。すると、サーボバル
ブ４１の弁開閉によって空気バネ２内の圧力が調整され
て除振台１は目標電圧設定手段１０で設定した所望の位
置に定常偏差なく保持できる。ここで、Ｐは比例を、Ｉ
は積分動作をそれぞれ意味する。空気バネ２をアクチュ
エータとした空気バネ式支持脚５は、除振台１の上に大
重量物を搭載できる能力を持つ。

【００３１】空気バネ式支持脚５のより詳細な構造を図
２９に示す。同図において、２Ｖ，２Ｈは空気バネ、３
Ｖ，３Ｈは位置センサ、４Ｖ，４Ｈは加速度センサ、４
１Ｖ，４１Ｈはサーボバルブであり、番号末尾に付けた
ＶとＨは各々鉛直方向および水平方向を意味する。同図
を参照しながら、能動的除振装置における問題を述べ
る。まず、支持脚内に存在する機構部材等の局所振動の
発生が挙げられる。また、支持脚内での機構部材の占有
空間が大きいという問題も指摘できる。前者の問題は除
振台の特性向上を阻害する。何故なれば、検出部位に支
持構造物の変位や加速度と無関係な局所振動が存在した
場合、それら振動もフィードバックループに取り込ま
れ、所謂スピルオーバを引き起こすからである。後者の
問題は、除振および制振にとって絶対的に必要な物理寸
法を持つアクチュエータの組み込みを阻害する場合が発
生する。支持脚に課される物理形状および寸法の制約を
遵守するために能力不足のアクチュエータを組み込まね
ばならない場合であって、例えばこれが空気バネであり
且つ支持脚上に搭載される機器が加減速運動による反力
を抑制する制振動作を要求されるときには、アクチュエ
ータの飽和を招いてしまう。結果として制振特性のみな
らず除振性能をも劣化させる。図３０に位置センサ３Ｖ
の取り付け例を示す。ケーシング７０に対して渦電流型
の位置センサ３Ｖのターゲット７１が取り付けられ、位
置センサ３Ｖ自身も支持脚設置側の部材に設けた取り付
け治具７２に各々取り付けられている。したがって、各
取り付け治具の局所振動が容易に発生しやすい構造であ
り、かつ検出系が占める物理空間が大になることが了解
される。

【００３２】このような能動的除振装置における支持脚
の課題は以下の通りである。能動的な除振および制振を
行なわせるため、支持脚内にはアクチュエータと共に位
置センサや加速度センサを備える。これらセンサは、所
定の機能を果たし且つ機械調整可能なように取り付け治
具を用いて装着される。しかし、支持脚上構造物の運動
とは無関係な取り付け治具自身の振動が誘発され易い問
題がある。この局所振動は各センサの出力信号となって
フィードバックループ内に取り込まれるため制御系はス
ピルオーバになる。すなわち、除振および制振特性の調
整限界を生じさせてしまい、それらの特性の向上を阻害
する。以って、除振台上に搭載される例えば位置決め機
構の特性向上も阻害していた。また、取り付け治具を含
めた各センサの占有空間は大きく、支持脚のコンパクト
な機構設計を妨げていた。

【００３３】本発明は、支持脚機構をコンパクトに設計
でき、除振および制振特性の調整限界が高い能動的除振
装置を提供することを第４の目的とする。

【００３４】

【課題を解決するための手段および作用】上記第１の目
的を達成するため、本発明の第１の局面では、除振台
と、除振台に駆動力を付与する空気バネアクチュエータ
と、除振台の振動を検出する振動検出手段と、除振台の
位置を検出する位置検出手段と、振動検出手段の出力に
よってダンピングを与える加速度フィードバックループ
と、位置検出手段の出力から位置偏差信号を生成して補
償を掛ける位置ループとを有し、位置ループの中の安定
化補償器にはＰＩ補償器に積分器を１個追加したＰＩ²
補償器を備えている。

【００３５】この第１の局面の好ましい実施例におい
て、加速度フィードバックループと位置ループは、除振
台の並進や回転という運動モードに基づく。より具体的
には、加速度フィードバックループには振動検出手段の
出力から除振台の並進や回転という運動モードを演算す
る加速度に関する運動モード抽出手段を備え、位置ルー
プには位置偏差信号から除振台の並進や回転という運動
モードを演算する位置に関する運動モード抽出手段と、
この出力を補償する運動モードごとの安定化補償器を備
え、安定化補償器は少なくとも一つ以上の運動モードに
対する補償がＰＩ² 補償器である。さらに、安定化補償
器の出力と加速度フィードバックの出力とを換算した信
号は、運動モード分配手段に導かれている。運動モード
分配手段は、除振台を支持する複数個の空気バネアクチ
ュエータが発生すべき駆動力の割合を決めている。な
お、ＰＩ² 補償器は位相進み補償などの位相回復手段が
組み込まれた補償器が好適であり、振動検出手段として
は加速度センサが好適に使用できる。

【００３６】閉ループの中に積分器１個を含む１形のサ
ーボ系は、ステップ入力に対して定常偏差なく目標値に
追従する能力を持つ。さらに積分器を１個追加した２形
のサーボ系は、ランプ入力に対して定常偏差なく目標値
に追従できる。この原理を、ＸＹステージのステップア
ンドリピート駆動によって発生するオフセット抑制のた
めに適用する。本発明の実施例１では、並進や回転とい
った運動モードに基づいて制御ループが構成されてお
り、位置偏差信号にオフセットが発生する特定の運動モ
ードの位置ループに対してのみＰＩ² 補償器を挿入して
いる。したがって、安定性に多大の影響を与えることな
く、しかも問題としているオフセットを除去するように
作用する。本発明の好ましい実施例では、全運動モード
の位置ループにＰＩ² 補償器を挿入するが、安定性を確
保すべく位相進み補償等に代表される位相回復手段を同
時に補償器として組み込むので、安定化を図りつつしか
も位置偏差信号のオフセットを除去するように作用す
る。

【００３７】本発明の第２の局面では、除振台と、除振
台に駆動力を付与する空気バネアクチュエータと、除振
台の振動を検出する振動検出手段と、除振台の位置を検
出する位置検出手段と、振動検出手段の出力によってダ
ンピングを与える加速度フィードバックループと、位置
検出手段の出力から位置偏差信号を生成して補償を掛け
る位置ループとを有する能動的除振装置であって、除振
台を位置決めする平衡位置と等価な電圧を印加する目標
電圧入力端子に除振台に搭載するＸＹステージのステッ
プアンドリピート駆動によって生じるオフセットを修正
する補正電圧のパターンを重畳している。

【００３８】この第２の局面では、ステップアンドリピ
ート駆動で発生する位置偏差信号のオフセットの様子が
特徴的であることを利用している。連続するバンバン状
のステップ駆動の極性が反転するごとに、概ね一定なオ
フセットの極性も反転する。そこでステップ駆動の極性
反転を周期とする一定電圧の補正電圧を、除振台を位置
決めする目標電圧に重畳させている。したがって、補正
分圧の印加により、オフセットをキャンセルするように
作用する。

【００３９】前記第２の目的を達成するため本発明の第
３の局面では、除振台、該除振台を支持する空気バネと
前記空気バネの圧力を調整するサーボバルブと前記除振
台の位置を検出する位置センサと前記除振台の振動を検
出する振動センサと前記除振台に予圧を付与する予圧手
段と前記除振台に働く粘性要素とからなる空気バネ式支
持脚、および前記位置センサの出力を電気信号に変換す
る変位増幅器と目標位置を指定する目標電圧設定手段と
前記変位増幅器の出力と前記目標電圧設定手段の出力と
を比較する比較回路と前記比較回路の出力信号に対して
補償を施す補償器と前記振動センサの出力を電気信号に
変換し且つ適切なフィルタリングを行なうフィルタと前
記補償器の出力と前記フィルタの出力とを加算した信号
に基づいて前記サーボバルブを駆動する電圧電流変換器
とからなるフィードバック装置を具備している。そし
て、目標電圧設定手段で定められる目標位置の手前の位
置を指定するいき値設定手段と変位増幅器の出力信号と
を入力とするヒステリシスコンパレータとを備え、前記
補償器はヒステリシスコンパレータの出力に応動してＰ
補償器とＰＩ補償器とに切り換えられる可変補償器であ
ることを特徴とする。

【００４０】本発明の第４の局面では、前記いき値設定
手段の代わりに、前記目標電圧設定手段によって定めら
れる目標位置の前後にいき値を設定する上限いき値設定
手段と下限いき値設定手段とを設け、前記ヒステリシス
コンパレータの代わりに、これらのいき値設定手段によ
って前記変位増幅器の出力範囲を判定するウインドコン
パレータを設け、このウインドコンパレータの出力で前
記可変補償器を切り換えるようにしている。

【００４１】極低周波域を除き概ね積分特性を有する空
気バネに対して、フィードバックループ内にＰＩ補償器
を持つ位置制御を掛けると、オーバシュートが発生する
しかつ緩慢な応答しか得られない。そこで、除振台の設
定位置から目標位置の近傍手前まではＰ補償器による高
速な位置決めを行ない、その後はＰＩ補償器へ切り替え
ることによってオーバシュートを抑制した上で目標位置
に定常偏差なく位置決めされるように作用する。すなわ
ち、総合的にはオーバシュートなくかつ位置決め時間が
短縮された位置決めが行なわれるように作用する。同様
に、外乱によって目標位置を挟むバンド外に除振台の現
在位置が推移したときには、Ｐ補償器によって目標位置
近傍への急速な復帰を図り、目標位置を挟んだバンド内
に現在位置が入ったときにはＰＩ補償器に切り替えられ
るので定常偏差なく除振台の目標位置への収束が行なわ
れるように作用する。

【００４２】上記第３の目的を達成するため、本発明の
第５の局面では、目標値フィードフォワード補償器を新
たに設け、この目標値フィードフォワード補償器を介し
て位置に関するフィードフォワード信号を能動的除振装
置におけるフィードバック装置に注入し、以って位置決
めの応答性を高めている。

【００４３】この第５の局面における好ましい実施例に
おいては、除振台の平衡位置を指定する平衡位置目標電
圧の入力端子と、ＰＩ補償器の後段にすなわちアクチュ
エータを駆動する電圧電流変換器の前段に設けた加算端
子とにそれぞれフィードフォワードパスを設ける。両者
のフィードフォワードパスの前段には望みの応答を指定
する参照モデルを配置する。

【００４４】より具体的には、除振台は、変位を計測す
る位置センサと、振動を検出する振動センサと、駆動力
を与える空気バネを備えた複数個の空気バネ式支持脚に
よって支持されている。各空気バネ式支持脚は加速度フ
ィードバックと位置フィードバックとからなるフィード
バック装置を具備しており、新たに設けた目標値フィー
ドフォワード補償器を介して位置の目標値をフィードバ
ック装置内に注入する。

【００４５】ここで、目標値フィードフォワード補償器
は、望ましい応答を示す参照モデルと、この出力を入力
としてフィードバック装置内の平衡位置目標電圧の印加
端子に加算する第１のフィードフォワードパスと、参照
モデルの出力を入力としてフィードバック装置内のＰＩ
補償器後段、すなわち空気バネに駆動力を発生させる電
圧電流変換器の前段に加算する第２のフィードフォワー
ドパスとからなる。さらに、第１および第２のフィード
フォワードパスの伝達関数は、系全体の目標値応答が参
照モデルＫ_m （ｓ）そのものの応答になるように決定す
ることができる。すなわち、第１のフィードフォワード
パスＮ_p （ｓ）の伝達関数は１であり、第２のフィード
フォワードパスＤ_p （ｓ）の伝達関数は加速度フィード
バックを含めた制御対象の伝達関数の分母多項式であ
る。参照モデルＫ_m （ｓ）の伝達関数は、一個の実根と
複素根とからなり且つ負の実根が互いに等しい３次遅れ
系であることが望ましい。

【００４６】能動的除振装置の閉ループとしての応答性
は鈍い。本局面によれば、位置決めの加算目標電圧ｒ_ad
は参照モデルＫ_m （ｓ）と第１のフィードフォワードパ
スＮ_p （ｓ）とを介して位置に関する平衡位置目標電圧
の入力端子に、また参照モデルＫ_m （ｓ）と第２のフィ
ードフォワードパスＤ_p （ｓ）とを介して空気バネのア
クチュエータを駆動する電圧電流変換器の前段にそれぞ
れフィードフォワードしている。加算目標電圧ｒ_adが参
照モデルと第２のフィードフォワードパスを介して従来
のフィードバック装置に注入されることによって、高域
での応答性を補うように作用する。一方、加算目標電圧
ｒ_adを参照モデルと第１のフィードフォワードパスを介
して従来のフィードバック装置における平衡位置目標電
圧の入力端子にフィードフォワードすることによって、
指定したｒ_adに追従するように動作する。

【００４７】上記第４の目的を達成するため、本発明の
第６の局面に係る能動的除振装置は、除振台と、それを
受動的に支持する予圧手段および粘性要素と、除振台に
駆動力を付勢するためのアクチュエータと、除振台の振
動を検出する振動センサと、除振台の姿勢を検出する２
次元光位置検出手段と、振動センサの出力をフィルタリ
ングする適切な時定数を持つフィルタと、２次元光位置
検出手段の出力を電気信号に変換するための電気信号変
換手段と、その電気信号変換手段の出力を補償するＰＩ
補償器と、フィルタとＰＩ補償器の出力とを加算して前
記アクチュエータを駆動する電力増幅器とを具備する。

【００４８】この第６の局面に係る好ましい実施例にお
いて、前記２次元光位置検出手段は、発光素子と４分割
フォトダイオードの対であることを特徴とする。あるい
は、２次元光位置検出手段は、発光素子とＰＳＤの対で
あっても構わない。また、上述の２次元光位置検出手段
の出力を電気信号として取り出すために、電流電圧変換
部と演算部とを有し、さらにその電気信号のノイズ耐性
を向上させるために、発光素子は発振器で駆動される発
光素子駆動回路によって駆動され、その同一の発振器の
出力と演算部の電気出力とを乗算する乗算器およびその
乗算器の出力に対してフィルタリングを施すためのロー
パスフィルタを具備してなる電気信号変換手段によって
同期検波される。

【００４９】４分割フォトダイオード受光面における光
スポット照射位置の変化を捉えることにより、２次元位
置センサとして機能させることができる。従来の能動的
除振装置における支持脚には鉛直および水平方向に各１
個の位置センサと加速度センサを備えていたが、発光素
子と４分割フォトダイオードの一対で構成する２次元位
置センサで、支持脚内に装備していた位置センサ２個と
置き換えができる。また、従来の位置センサは円柱状で
その物理寸法も大であったが、２次元位置センサはその
形状が偏平であり、剛な取り付けができる。

【００５０】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００５１】図２３（Ａ）の実測結果および同図
（Ｂ），（Ｃ）の数値実験結果を参照して明らかなよう
に、ステップアンドリピート中の位置偏差信号を観察す
ると、ステップ駆動に起因する過渡現象波形と、その連
続駆動および移動荷重に原因したシフトが重畳したもの
になっている。実施例１では、後者の現象を位置フィー
ドバックの補償器を変えることによって抑制する装置構
成を与える。

【００５２】実施例１図１に本発明の第１の実施例に係る空気バネ式能動的除
振装置の構成を示す。図１の装置では、ステップアンド
リピート駆動を受けたとき、オフセットが生じやすい運
動モードを選択し、この運動モード偏差信号の補償を行
なう補償器を従来のＰＩ補償器からＰＩ² 補償器に変更
している。ここで、ＰＩ補償器のＰは比例を、Ｉは積分
動作をそれぞれ意味することは周知のことであり、一般
的に次式の伝達関数を持つ補償器である。

【００５３】

【数２】ただし、ｋ₁ は比例ゲイン、ｋ₂ は積分ゲインである。

【００５４】また、ここでＰＩ² と呼称する補償器は次
式のように（１）式に対して積分器を１個追加した伝達
関数を持つ補償器である。

【００５５】

【数３】実験事実によれば、オフセットは、特にＸ軸およびＹ軸
回りの回転の運動モード偏差信号に重畳する。その理由
は、ステップアンドリピート駆動時には除振台１上のＸ
Ｙステージ１２の位置決め場所が逐次移動するので、こ
れが除振台１を傾かせるよう支配的に作用するからであ
る。

【００５６】以下、図１を参照しながら動作説明をす
る。まず、位置検出手段３ａ〜ｄの出力は変位増幅器８
ａ〜ｄによって電気信号に変換され、比較器９ａ〜ｄへ
の入力となっている。目標電圧入力端子１０ａ〜ｄに加
える電圧と変位増幅器８ａ〜ｄの出力とを比較して位置
偏差信号（ｅ_a ，ｅ_b ，ｅ_c ，ｅ_d ）を得る。次いで、
これら位置偏差信号は除振台１の並進や回転といった運
動モードを表わす運動モード偏差信号（Ｓ_z ，Ｓθ_x ，
Ｓθ_y ）を抽出する運動モード抽出手段２２に導かれ
る。ここで、Ｓ_z はＺ軸方向の並進運動を、Ｓθ_x はＸ
軸回りの回転運動を、Ｓθ_y はＹ軸回りの回転運動を示
す運動モード偏差信号である。運動モード偏差信号（Ｓ
_z ，Ｓθ_x ，Ｓθ_y ）は位置ループに対する安定化補償
器２３に入力されている。より具体的には、Ｓ_z に対し
てはＰＩ補償器２４Ｚが、Ｓθ_x とＳθ_y に対してはＰ
Ｉ² 補償器２４Ｘ，２４Ｙが準備されており、補償信号
（Ｃ_z，Ｃθ_x ，Ｃθ_y ）を生成している。一方、振動
検出手段４ａ〜ｄの出力である電気信号は、加速度に関
する運動モード信号を抽出する運動モード抽出手段２５
に導かれ（ａ_z ，ａθ_x ，ａθ_y ）を演算出力する。こ
こで、ａ_z はＺ軸方向の並進を、ａθ_x はＸ軸回りの回
転を、ａθ_x はＹ軸回りの回転を示す加速度に関するそ
れぞれの運動モード信号である。（ａ_z ，ａθ_x ，ａθ
_y ）はゲインとフィルタリング機能を併せ持つゲイン補
償器２６Ｚ，２６Ｘ，２６Ｙに導かれ、運動モード別の
負帰還信号（Ａ_z ，Ａθ_x ，Ａθ_y ）を生成する。（Ａ
_z ，Ａθ_x，Ａθ_y ）は補償信号（Ｃ_z ，Ｃθ_x ，Ｃθ_y
）と合成され運動モード別の駆動信号Ｄ_z ，Ｄθ_x ，
Ｄθ_y ）となる。（Ｄ_z ，Ｄθ_x ，Ｄθ_y ）は、空間的
に配置された各空気バネ式支持脚内の空気バネアクチュ
エータ２ａ〜ｄのドライブ信号を生成する運動モード分
配手段２７への入力となり、運動モード分配手段２７の
出力は電圧電流変換器７ａ〜ｄを介して空気バネアクチ
ュエータ２ａ〜ｄに印加される。

【００５７】さて、空気バネ式能動的除振装置に対して
は、除振と制振の両性能を満たすパラメータ調整がなさ
れている。位置フィードバックループの補償器をＰＩか
らＰＩ² へ単純に変更することは従来のパラメータ調整
状態を崩す。何故ならば、制御ループに積分器を１個追
加という単純な行為ではあるが、その安定性に及ぼす影
響は大きいからである。すなわち、運動モード別のフィ
ードバックループを有する図１の能動的除振装置におい
て、運動モードに対する位置の補償器全部をＰＩからＰ
Ｉ² へと置換することは、従来装置での除振制振性能を
対象にしたパラメータ調整の状態を崩すので再調整の必
要がある。しかし、ステップアンドリピート駆動におい
て位置偏差信号にオフセットが生じる運動モードは、Ｘ
軸回りおよびＹ軸回りの回転運動モードのみであり、Ｚ
軸方向の並進運動にはほとんど生じていない。したがっ
て、本実施例のようにＰＩ補償器からＰＩ² 補償器への
変更は問題とするオフセットが生じている運動モードに
のみ挿入することでパラメータ再調整は軽微となる。あ
るいは、選択的にＰＩ² 補償器を挿入したので、従来の
パラメータ調整における性能からのずれは僅少であり、
ほとんど無調整で済ますこともできる。

【００５８】実施例１の有効性を示す数値実験は図２に
与える。同図（Ａ）はステップアンドリピート駆動信号
を、（Ｂ）は位置偏差信号をそれぞれ示す。（Ｂ）の中
で、一点鎖線は、補償器２４Ｘ，２４ＹをＰＩ補償器と
した場合の応答を、実線は従来のＰＩ補償器に代えＰＩ
² 補償器を使用した場合の応答をそれぞれ示す。連続す
る５回のバンバン状波形によるステップ駆動の後に、極
性が反転したステップ駆動が５回入力する。後者の駆動
で、すなわちステップアンドリピートの駆動が進行する
にしたがって位置偏差信号のオフセットが除去されてバ
イポーラな信号に漸近することが分かる。したがって、
これが回転運動モードの位置偏差信号である場合、ステ
ップアンドリピート駆動の進行に応じて本体装置の傾き
が修正されて平衡位置に漸近することが分かる。したが
って、これが回転運動モードの位置偏差信号である場
合、ステップアンドリピート駆動の進行に応じて本体装
置の傾きが修正されて平衡位置に漸近することを示すの
である。

【００５９】実施例２図１の装置では、Ｘ軸およびＹ軸回りの運動モード偏差
信号に対してのみＰＩ² 補償器を使用した。勿論、Ｚ軸
並進運動に対してもＰＩ² 補償器を使用し、結局のとこ
ろ全運動モードに対してＰＩ補償器に代えてＰＩ² 補償
器を使用することも本発明の範囲に属する。また、図１
では位置および加速度の信号は並進や回転といった運動
モードに基づいて制御ループが構成されているが、一般
的である各軸独立の制御ループを持つ従来の空気バネ式
能動的除振装置に対し、ＰＩ補償器に代えてＰＩ² 補償
器を使用することも本発明の範囲に属する。この各軸独
立の制御ループを持つ装置構成は図３に示す。図２１の
ＰＩ補償器１１ａ〜ｄは、図３の安定化補償器２３に置
換されており、その中身はＰＩ² 補償器２３ａ〜ｄであ
る。

【００６０】なお、ＰＩ補償器に積分器を１個追加して
ＰＩ² 補償器とした場合、安定性確保のため必要に応じ
位相進み補償などの位相回復手段をＰＩ² 補償器の中に
同時に組み込むことは妨げられない。

【００６１】実施例３実施例３は、駆動パターンの時系列が極性反転する周期
で概ね一定なオフセットの極性も反転することに注目し
たものであり、目標電圧入力端子１０ａ〜ｄに加える電
圧を操作した装置構成を与える。すなわち、除振台１を
所望の位置に位置決めする目標の電圧に、ステップアン
ドリピート駆動中に発生する位置偏差信号のオフセット
を修正するための補正電圧を重畳する。例えば、Ｙステ
ージ１６がＹ軸方向にステップアンドリピートする場合
を考える。図４を参照して紙面手前側に連続ステップ駆
動がなされたとき、除振台１にＸ軸回りの回転が生じ
る。位置検出手段３ａと３ｂは除振台１の接近（沈み込
み）を、３ｃと３ｄはその逆（浮き）を検出する。しか
も、バンバン状のステップ駆動が連続する期間の低周波
成分としての回転量は概ね一定なので、空気バネアクチ
ュエータ２ａ，２ｂにはより大きな駆動力を付与し、逆
に空気バネアクチュエータ３ｃ，３ｄの駆動力は抜く操
作を行なえば、位置偏差信号のオフセットがキャンセル
できるのである。

【００６２】より具体的に、図４を参照しながら説明す
る。図中、先に説明した他の図と同一符号をつけた箇所
の説明は省略する。図４において、２８はＸＹステージ
１２のＹ軸方向の位置計測用のレーザ干渉計であり、出
射する光線をＹ軸計測用のバーミラ２１Ｙに当てＹステ
ージ１６の移動量が計測される。この信号は位置検出手
段２９を通って位置信号となり、Ｙステージ１６への位
置目標端子３０の値と比較して位置偏差信号となる。位
置偏差信号は、ＰＩＤ補償器に代表される補償器３１に
導かれ、その出力信号でＹステージ１６を位置決め駆動
するリニアモータの固定子１９ＹＲ，１９ＹＬに電流を
通電する電力アンプ３２をドライブする。Ｘステージ１
３に対する制御系もＹステージ１６に対する上述した制
御系と同様の構成である。さて、位置目標端子３０に印
加するＹステージ１６へのステップアンドリピート指令
はプロファイラ３３から供給されている。このステップ
アンドリピートの駆動パターン３４は予め既知であるこ
とに注意したい。本実施例では既知の駆動パターン３４
から、バンバン状のステップ駆動が連続する期間を半周
期とする補正電圧のパターン３５を生成している。補正
電圧のパターン３５は分配器３６に導かれ、その出力は
目標電圧設定手段３７ａ〜ｄの電圧を印加する目標電圧
入力端子１０ａ〜ｄに加算されている。分配器３６では
各軸にとって適切な振幅と極性を有する補正電圧を生成
している。

【００６３】上述したように、除振台１に対するＸＹス
テージ１２の駆動方向によって、空気バネ式能動的除振
装置における位置偏差信号に重畳するオフセットの極性
は一意に定まり、その大きさもほぼ一定している。そこ
で、極性同一のバンバン状のステップ駆動信号の時系列
が入力されている期間だけ目標電圧入力端子１０ａ〜ｄ
に、除振台１を所望位置に位置決めする目標電圧の他
に、オフセットを除去するに足る一定電圧の補正電圧を
重畳することにしたのである。なお、実施例３の場合、
安定化補償器２３は必ずしもＰＩ² 補償器である必要は
なく、従来通りＰＩ補償器でよい。

【００６４】実施例３の有効性を示す数値実験を図５に
与える。図中、（Ａ）はステップアンドリピート駆動信
号を、（Ｂ）は補正電圧とその印加タイミングを、
（Ｃ）は補正電圧の有無による位置偏差信号を示す。
（Ｃ）の中で一点鎖線は補正電圧なしの場合を、実線は
目標電圧入力端子１０ａ〜ｄに補正電圧を重畳した場合
の応答を示す。補正電圧の印加により、位置偏差信号の
大きなうねりが平坦化されていることが分かる。すなわ
ち、この位置偏差信号が除振台１の回転運動のものであ
る場合、傾斜に偏りを発生させることなく、常に目標電
圧で指定した平衡姿勢の周りに除振台を位置させること
ができているのである。

【００６５】実施例４図６に本発明の第４の実施例に係る空気バネ式防振装置
の構成を示す。図中、図２４のものと同一の要素には同
一番号を付け、図２４に対比して新規な要素のみ説明す
る。図６において、４６はＰＩ補償器からＰ補償器へま
たその逆の切り替えが可能な可変補償器、４７はいき値
設定手段４８で設定した電圧を基準にして電子スイッチ
４９の開閉を司る制御信号ＣＮＴを発生するヒステリシ
スコンパレータであり、従来のフィードバック装置５０
の構成要素と併せてフィードバック装置５０Ａを構成し
ている。

【００６６】まず、可変補償器４６の入出力特性を明ら
かにしておく。図中記載の記号を使って、ＣＮＴによっ
て制御される電子スイッチ４９がオフの場合、次式のよ
うにＰＩ補償器となる。

【００６７】

【数４】また、ＣＮＴによって制御される電子スイッチ４９がオ
ンの場合、次式のようにＰ補償器となる。

【００６８】

【数５】ここで、電子スイッチ４９の開閉はヒステリシスコンパ
レータ４７によって制御されている。ヒステリシスコン
パレータ４７への入力は、変位増幅器８の出力電圧とい
き値設定手段４８が設定する電圧の両者である。立ち上
げ初期位置から目標電圧設定手段１０で決められる最終
目標位置の手前であっていき値設定手段４８が定める目
標位置までの区間内に変位増幅器８の出力信号が存在す
る場合には電子スイッチ４９をオンしてＰ補償器とな
し、それ以外の領域に変位増幅器８の出力が存在する場
合には電子スイッチ４９をオフしてＰＩ補償器となすよ
うに動作させる。

【００６９】上述の構成によれば、除振台１の設置面か
ら最終の目標位置手前まではＰ補償器によって位置制御
系が動作し、そこから最終目標位置まではＰＩ補償器に
よって位置制御系が動作する。つまり、除振台の設置面
から最終の目標位置手前までは急速に除振台を立ち上
げ、目標位置近傍ではＰＩ補償器が動作して定常偏差を
零にするのである。

【００７０】本発明の有効性を示す数値実験結果は図７
に示す。図中の一点鎖線は図２４に示す従来の制御構成
のとき、実線は本実施例において立ち上がり時間を短縮
するパラメータ設定を行なったときの応答波形を示す。
本実施例によればオーバシュートのピーク値がほぼ不変
で立ち上がり時間のみ速い応答にすることができる。次
に、本発明の有効性を示す第２の数値実験結果を図８に
与える。図中の一点鎖線は図２４の制御構成のとき、実
線は本実施例において立ち上がり時間の短縮を図るとと
もにピーク値を抑制するパラメータ設定を行なったとき
の応答波形をそれぞれ示す。本実施例によればオーバシ
ュートのピーク量を従来に比べて抑制し、同時に立ち上
がり時間も速くできている。オーバシュート量の抑制は
除振台１に搭載される不図示の構造物に対して求められ
る性能確保の観点からあるいは機械的な衝突回避のため
に重要である。その場合、最大変位量が規定されている
場合が多くそれ以下に変位を抑制した除振台の位置決め
ができる、という効果がある。

【００７１】実施例５図６では、除振台の立ち上がり特性を改善するために、
すなわち高速な位置決めのために立ち上げの初期位置か
ら最終目標位置の手前に設けたいき値までの区間は電子
スイッチ４９をオンして可変補償器４６をＰ補償器とし
て動作させた。それ以外の区間は可変補償器４６をＰＩ
補償器として動作させ定常偏差なく最終の目標位置への
収束を図った。

【００７２】しかしながら、外乱入力に対する速応性も
向上させるべく、目標位置を挟み上限と下限の範囲内に
位置検出信号が入った場合には可変補償器４６をＰＩ補
償器として作用させ、それ以外の領域に位置検出信号が
存在する場合には可変補償器４６をＰ補償器として動作
させることも考えられる。目標位置近傍では定常偏差を
零にもっていく作用を重視し、それ以外に位置信号が存
在するときには速応性を重視する、という立場のフィー
ドバックである。そこで、この実施例５の防振装置は図
９のように構成した。同図において、５１は上限いき値
設定手段、５２は下限いき値設定手段、５３はウインド
コンパレータである。いき値設定手段５１と５２とで決
められる範囲内に変位増幅器８の出力が存在する場合、
ウインドコンパレータ５３の出力は電子スイッチ４９を
オフとなすように動作し、その範囲外に変位増幅器８の
出力が存在する場合、電子スイッチ４９をオンするよう
に動作しており、従来のフィードバック装置５０の構成
要素と併せてフィードバック装置５０Ｂを構成してい
る。

【００７３】なお、簡便な説明のために、図６および図
９における空気バネ式支持脚５は鉛直方向１軸について
図示した。しかし、水平方向に対しても同様の装置構成
になる。また、空気バネ式支持脚５を鉛直および水平方
向に複数個配置し、各除振台の上に平板状の定盤などを
設置してなる装置構成も本発明の範囲に属することは言
うまでもない。また、図６および図９の実施例ではアナ
ログ演算回路で制御系を実現しているが、この内の一部
もしくは全部を電子計算機のようなディジタル演算装置
で置き換えても構わない。

【００７４】実施例６図１０は本発明の第６の実施例に係る能動的除振装置の
構成を示す。図２４に示す従来の能動的除振装置に対し
て新規に目標値フィードフォワード補償器を備えている
ことが特徴である。

【００７５】図１０において、６６は位置に関する平衡
位置目標電圧ｒ_o の入力端子に加算するよう接続した第
１のフィードフォワードパス、６７は電圧電流変換器７
の前段に加算するよう接続した第２のフィードフォワー
ドパス、６８は第１および第２フィードフォワードパス
の両者に接続されており加算目標値ｒ_adを入力とする参
照モデルであり、６６〜６８を以って目標値フィードフ
ォワード補償器６９を構成している。ここで、平衡位置
目標電圧ｒ_o は文字通り除振台１が動作すべき平衡位置
を指定する電圧であり、加算目標電圧ｒ_adはｒ_o で指定
した平衡位置の周りに除振台１を位置決めするための指
令電圧である。

【００７６】まず、能動的除振装置の位置決め閉ループ
のブロック線図を参照しながら本発明の原理を順を追っ
て説明する。予め記号の定義をしておく。以下におい
て、Ｍ：除振台の質量［ｋｇ］、Ｃ：粘性摩擦係数［Ｎ
・ｓｅｃ／ｍ］、Ｋ：バネ定数［Ｎ／ｍ］、ｋ_air ：電
圧電流変換器７の入力からサーボバルブを介して空気バ
ネ２が発生する力までの積分特性としての変換ゲイン
［Ｎ／Ｖ・ｓｅｃ］、ｋ_a：加速度フィードバックゲイ
ン［Ｖ・ｓｅｃ² ／ｍ］、ｋ_s ：位置検出ゲイン［Ｖ／
ｍ］、ｋ_p ：ＰＩ補償器の位置ゲイン［−］、ｋ_i ：Ｐ
Ｉ補償器の積分ゲイン［１／ｓｅｃ］、ｘ：除振台の変
位［ｍ］、ｒ_o ：平衡位置目標電圧［Ｖ］、Ｎ_p
（ｓ）：第１のフィードフォワードパスの伝達関数
［−］、Ｄ_p （ｓ）：第２のフィードフォワードパスの
伝達関数［−］、Ｋ_m （ｓ）：参照モデルの伝達関数
［−］、ｒ_ad：加算目標電圧［Ｖ］、ｓ：ラプラス演算
子である。

【００７７】図１１（Ａ）は図１０に示す空気バネ式能
動的除振装置の１軸の制御ブロック図である。サーボバ
ルブ１を駆動する電圧電流変換器７の入力から除振台１
の変位ｘまでの伝達関数Ｇ（ｓ）は（６）式のようにな
る。

【００７８】

【数６】既に説明したように、加速度フィードバックの物理的意
味は、制御対象にダンピングを付与することにある。簡
単な計算から、加速度フィードバックを含む制御対象の
伝達関数Ｇ_p'（ｓ）、すなわち図１１（Ａ）で破線で囲
む部位の伝達関数は（７）式となり、図１１（Ｂ）を得
る。

【００７９】

【数７】さて、本発明では、平衡位置目標電圧ｒ_o の入力端子お
よびＰＩ補償器後段にフィードフォワード信号を注入す
る。より具体的には、図１２に示す如くｒ_o の入力端子
には第１のフィードフォワードパスＮ_p （ｓ）の出力
が、ＰＩ補償器後段には第２のフィードフォワードパス
Ｄ_p （ｓ）の出力が加算されており、Ｎ_p（ｓ）とＤ_p
（ｓ）は共に加算目標電圧ｒ_adを入力とする参照モデル
Ｋ_m （ｓ）の出力が接続されている。このとき、ｒ_adか
らｘまでの関係は簡単な計算から次式のように求められ
る。

【００８０】

【数８】ただし、ＰＩ補償器１１の伝達関数を（９）式とおい
た。

【００８１】

【数９】このときＤ_p（ｓ）とＮ_ｐ（ｓ）をそれぞれ（１０）式
と（１１）式のように選ぶ。

【数１０】すると、ｒ_adからｘまでの伝達関数は次式となる。

【００８２】

【数１１】すなわち、ｋ_s は位置検出ゲインであることに注意し
て、ｒ_adからの応答は参照モデルの伝達関数Ｋ_m （ｓ）
によって指定できることが分かる。ここで、Ｋ_m（ｓ）
の望ましい一つの形は一個の実根と一対の複素根からな
る３次遅れ系である。応答にオーバシュートが発生しな
い極配置は図１３のようになる。図中×印は極の位置を
示す。図示のように、負実根３個を等しく配置するとオ
ーバシュートは発生しない。図示の記号を使って、この
ときの伝達関数は（１３）式のようになる。

【００８３】

【数１２】なお、目標値フィードフォワード補償器６９の実現に当
たっては、参照モデルＫ_m （ｓ）６８を第１のフィード
フォワードパスＮ_p （ｓ）６６と第２のフィードフォワ
ードパスＤ_p （ｓ）６７の中に繰込む。すなわち、実用
的にはＮ_p （ｓ）Ｋ_m （ｓ）で第１のフィードフォワー
ドパスを、Ｄ_p （ｓ）Ｋ_m （ｓ）で第２のフィードフォ
ワードパスを実現する。

【００８４】本実施例の有効性を示す数値実験結果を図
１４に与える。図中、一点鎖線は目標値フィードフォワ
ード補償器６９を備えておらず、ｒ_o にステップ状の目
標値を印加した場合の応答を、実線は目標値フィードフ
ォワード補償器６９を備えてｒ_adから同じ目標値を印加
した場合の応答を示す。応答曲線の比較から、目標値フ
ィードフォワード補償器６９を挿入した方が素早い応答
を呈していることがわかる。しかも、その応答にはオー
バシュートが発生していない。これは、本発明者がオー
バシュート無しの応答を得るべく負の実根がすべて同一
である３次遅れ特性の参照モデルＫ_m （ｓ）を指定した
からに他ならない。

【００８５】図１５は、目標値フィードフォワード補償
器６９を挿入した場合であって、サーボバルブ１の飽和
を招いてしまったときのステップ応答（実線）である。
しかし、同補償器無しの場合の応答（一点鎖線）は、目
標値は同一であるがサーボバルブ１の飽和がない。目標
値フィードフォワード補償器６９を挿入した場合にサー
ボバルブの飽和を招く理由は、（１０）と（１２）式か
ら明らかなようにＤ_p（ｓ）・Ｋ_m （ｓ）の伝達関数が
微分性のためである。同図より、サーボバルブの飽和を
招く場合には、もちろん参照モデルＫ_m （ｓ）で指定し
たオーバシュート無しの応答を実現することはできな
い。事実、大きなオーバシュートの発生を招いてしまっ
ている。しかし、目標値フィードフォワード補償器６９
を備えてｒ_adを入力した方が、それが無い場合に比して
応答の振幅は抑制され、しかも整定性は改善されてい
る。つまり、本実施例による目標値フィードフォワード
補償器６９の挿入による有効性は否定されないのであ
る。

【００８６】実施例７本実施例の詳細な説明の前にフォトダイオードによる位
置検出原理を説明する。簡単のために、２分割フォトダ
イオードの場合とする。図１６は２分割フォトダイオー
ドを用いた位置センサとしての検出原理図である。同図
において、７３は２分割フォトダイオード、Ａ，Ｂは受
光領域、７４は光スポットである。また、演算増幅器で
構成する回路網の中で、７５で指し示す部位は受光領域
Ａ，Ｂに流れる電流を電圧出力へと変換する電流電圧変
換部、７６は演算部である。ここで演算部７６の出力
（Ａ−Ｂ）は光スポットのｙ軸方向への移動量を、出力
（Ａ＋Ｂ）は２分割フォトダイオード７３に入射する全
光量を演算したものである。図示の場合、２分割線に対
して左側に光スポット７４が位置しており、出力（Ａ−
Ｂ）は正となる。明らかなように、丁度分割線上に光ス
ポット７４が位置すると出力（Ａ−Ｂ）は零で、分割線
より右側に光スポット７４が位置すると出力（Ａ−Ｂ）
は負になる。つまり、１次元ｙ軸方向の位置センサとし
て機能する。なお、７７は２分割フォトダイオード７３
に対するホルダであり、その四隅には取り付け用のネジ
穴が設けられている。

【００８７】次に，４分割フォトダイオードを考える。
同フォトダイオード７８を用いた位置センサとしての原
理図を図１７に与える。検出動作は図１６と同様であ
る。４分割フォトダイオード７８の場合には出力｛（ａ
＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）｝はｚ軸方向、出力｛（ａ＋ｄ）−
（ｂ＋ｃ）｝はｙ軸方向の光スポット７４の位置を検出
する。すなわち、ｙｚ平面内の２次元位置センサとして
機能する。また、４分割フォトダイオード７８の受光面
に入射する全光量は出力（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）で監視でき
る。全光量変化の原因としては、（１）発光素子の寿命
等によるパワー低下、（２）異物等の光路への進入、
（３）発光、受光素子の相対的な姿勢変化、が考えられ
る。何れの原因であっても、２次元位置センサの自己診
断に有効な信号として利用できる。上述の説明より、４
分割フォトダイオード７８と光スポット７４を発生する
不図示の発光素子を各１個備えた１対で２次元光位置検
出手段として機能することがわかった。

【００８８】本実施例では、上述した２次元光位置検出
手段を能動的除振装置に使用する。同手段を能動的除振
装置に適用する利点は次のようにまとめられる。図１７
のように、受光素子である４分割フォトダイオード７８
は偏平な形状であって、位置検出が必要な部位への剛な
取り付けが可能である。つまり、取り付け剛性の不足に
原因した機械振動が発生しにくい構造が採用できる。図
２８〜３０の従来例について述べたように、センサの取
り付けに起因した振動は、能動的除振装置のフィードバ
ックループ中へ当然の如く進入してくる。その結果、閉
ループ系の周波数特性を可調整範囲内で任意に成形する
ことを困難にし、除振・制振特性の向上を妨げる。しか
し、本実施例によれば形状偏平な２次元光位置検出手段
を剛に装着できるので局所振動の発生は皆無となる。ま
た、４分割フォトダイオード７８の出力｛（ａ＋ｂ）−
（ｃ＋ｄ）｝と｛（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ）｝は、光スポ
ットが受光面平衡点に位置するとゼロになる。もちろ
ん、除振台の浮上平衡位置でこれらの出力信号が零とな
るように受光面あるいは発光素子の位置を機械調整でき
る。このとき、制御ループはゼロリファレンスの構造と
なり、従来の装置において安定な定電圧源を必要とする
目標電圧設定手段１０は不要となる。すなわち、回路構
成が簡便になる。

【００８９】以上の説明を背景に、本発明の第７の実施
例に係る能動的除振装置の構成を図１８に示す。同図に
おいて、支持脚外筒７９の表面には形状偏平な４分割フ
ォトダイオード７８が剛に装着されている。また、支持
脚の固定側には発光素子８０を備え、光スポットを４分
割フォトダイオード７８の受光面に照射している。７５
と７６は既に説明したように、電流電圧変換部と演算部
である。演算部７６では支持脚外筒７９の鉛直方向変位
と、紙面に垂直な方向の変位と、４分割フォトダイオー
ド７８の受光面に入射する全光量の３種の信号を出力し
ている。さらに電気信号のノイズ耐性を向上させるため
に、発光素子８０は発振器８８で駆動された発光素子駆
動回路８９によって駆動され、発振器８８の出力と演算
部７６の電気出力とを乗算する乗算器９０およびその出
力に対してフィルタリングを施すためのローパスフィル
タ９１を具備して同期検波されている。結局、電流電圧
変換部７５、演算部７６、発振器８８、発光素子駆動回
路８９、乗算器９０とで電気信号変換手段を構成してい
る。

【００９０】さて、出力（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｄ）は鉛直
方向の変位であり、この出力が乗算器９０とローパスフ
ィルタ８９を通った信号はＰＩ補償器１１Ｖに導かれ、
不図示の振動センサの出力信号をフィルタ６Ｖに導いて
得られる負帰還信号とＰＩ補償器１１Ｖの出力信号とを
加算して駆動信号となし、電力増幅器７Ｖを励磁してサ
ーボバルブ４１Ｖを駆動している。最終的に、鉛直方向
の空気バネ２Ｖの内圧が調整されて位置を制御する。同
様に、出力（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ）は水平方向の変位で
あり、この出力が乗算器９０とローパスフィルタ８９を
通った信号はＰＩ補償器１１Ｈに導かれ、不図示の振動
センサの出力信号をフィルタ６Ｈに導いて得られる負帰
還信号とＰＩ補償器１１Ｈの出力信号とを加算して駆動
信号となし、電力増幅器７Ｈを励磁してサーボバルブ４
１Ｈを駆動している。最終的に、水平方向の空気バネ２
Ｈの内圧を調整して位置を制御する。なお、出力（ａ＋
ｂ＋ｃ＋ｄ）は受光面に入射する全光量であり、乗算器
９０とローパスフィルタ８９を通った信号は不図示のシ
ステム制御装置への入力となる。既に記述したように、
全光量の低下は、受光素子８０自身の光量低下の他に支
持脚の異常な姿勢変化が起こったときに発生する。した
がって、全光量を監視し基準値に対する低下を感知する
ことによって支持脚の位置制御を中止する等の判断信号
として使用する。

【００９１】実施例８発光および受光素子に対しては初期機械調整や保守が容
易なような電気配線が求められる。図１８の場合、発光
素子８０と４分割フォトダイオード７８あるいはＰＳＤ
の受光素子の対からなる２次元光位置検出手段は、共に
対向するよう配置されている。しかし、初期機械調整や
電気的保守を容易になすべくミラー等を備え光線を折り
曲げることでも２次元位置検出は可能である。そこで、
本発明の第８の実施例を図１９に与える。同図では、発
光素子８０から出射した光線８６を支持脚外筒７９の裏
面に装着した折り曲げミラー８７によって受光素子の一
つである４分割フォトダイオード７８に導く。支持脚外
筒７９が被支持構造物８１とともに鉛直方向にＬだけ移
動した場合、折り曲げミラー３７も共に鉛直方向に移動
し、光線８６が４分割フォトダイオード７８に達する位
置も鉛直方向へシフトする。また、支持脚外筒７９が紙
面に垂直な方向に移動した場合、折り曲げミラー８７の
反射面も紙面垂直方向に伸びているので、同方向のシフ
トを検出できる。

【００９２】なお、４分割フォトダイオード７８の他に
２次元の位置検出デバイスとしてＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉ
ｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｖｉｃｅ）センサが知
られている。１次元ＰＳＤでその動作原理を説明する。
図２０は１次元ＰＳＤの模式的な断面構造を示す。同素
子は高抵抗半導体基板８２とその表面に形成したｐ層８
３とｎ層８４とからなる均一な抵抗層から構成される。
表面のｐｎ接合は光電効果を持つ。図２０を参照して、
入射光８５がＰＳＤの中心から距離ｘの位置に当てられ
たとする。照射位置から電極ＩＬ，ＩＲに流れる電流ｉ
_a ，ｉ_b はＬとＸを使って次のような関係にある。

【００９３】

【数１３】容易に、距離Ｘは次式のように表現できる。

【００９４】

【数１４】したがって、電流ｉ_a ，ｉ_b を計測して上式の演算を行
なうことによって距離Ｘが算出できる。２次元ＰＳＤの
場合も検出原理は１次元ＰＳＤと同様である。受光面内
で直交する位置に電極を備え各１対の電極で（１５）式
の演算を行なうことにより平面の２次元位置が検出でき
る。したがって、図１８あるいは図１９における４分割
フォトダイオード７８をＰＳＤに置き換えると、容易に
空気バネ式支持脚５として機能させることができる。ま
た、実施例７および８では空気バネをアクチュエータと
する能動的除振装置における空気バネ支持脚５を対象に
し、そこに２次元光位置検出手段を適用する場合の例を
示した。しかし、アクチュエータは空気バネに限定され
るものではなく、電磁アクチュエータや圧電素子などで
も構わないことは言うまでもない。

【００９５】

【発明の効果】本発明の第１および第２の局面によれば
以下の効果がもたらされる。（１）空気バネ式支持脚に対する制御ループの骨格を変
えずに位置ループの補償をＰＩ² 補償器に置換するだけ
で、ステップアンドリピート駆動による位置偏差信号に
発生するオフセット成分を除去することができる。した
がって、除振台を含めた本体装置に無用の歪を与えるこ
とがない、という効果がある。しかも、コストアップは
招かない。（２）ステップアンドリピート駆動に原因した本体装置
の位置ずれを抑制することができるので、装置の設置規
準等を緩和することができる。

【００９６】本発明の第３および第４の局面によれば以
下の効果がある。（１）サーボバルブへの入力から空気バネの駆動力まで
の伝達特性が極低周波域を除いて概ね積分特性であるこ
とを利用すれば、Ｐ補償器によって除振台を高速に位置
決めすることができる。目標位置近傍ではＰ補償器から
ＰＩ補償器へスイッチングするので定常偏差なく除振台
を位置決めすることができる、という効果がある。（２）本発明のフィードバック装置の構成によれば、オ
ーバシュート量を抑制することができる。除振台に支持
される不図示の構造物には、その最大変位量が規定され
ているので、その規定以下に変位を抑制した除振台の位
置決めができる、という効果がある。

【００９７】本発明の第５の局面によれば以下の効果が
もたらされる。（１）能動的除振装置の閉ループ調整によってもたらさ
れる除振・制振性能を何等崩すことなく、単にＫ_m ，Ｄ
_p ，Ｎ_p を付加するだけで目標値応答が改善できる。（２）しかも、オーバシュートの有無という振幅特性お
よび収束性という時間尺度を参照モデルＫ_m （ｓ）によ
って任意に指定できる。（３）目標値フィードフォワード補償器はアナログ電子
回路あるいはソフトウエアの何れの手段によっても実現
できるが、それによるコストアップは軽微である。なに
よりも、同フィードフォワード補償器の付加によって閉
ループ系としてのパラメータ再調整が全く不要という利
点の方が優る。（４）目標値フィードフォワード補償器への入力ｒ
_adは、ステップアンドリピートによって発生する除振台
傾きを矯正する等の用途に利用できる。

【００９８】本発明の第６の局面によれば以下の効果が
ある。（１）従来、能動的除振装置における支持脚内には、鉛
直・水平方向にそれぞれ位置センサと加速度センサを備
えていた。すなわち、位置センサと加速度センサを各２
個ずつ支持脚内に装備していた。本発明の第６の局面に
よれば、発光素子１個と４分割フォトダイオード１個の
対で２次元光位置検出手段が構成できるので、鉛直・水
平方向の位置センサが占有していた空間を大幅に縮小で
きる、という効果がある。（２）また、受光素子としての４分割フォトダイオード
は偏平な形状であり、取り付け治具を使用することなく
位置計測を必要とする部位に剛に装着できる。したがっ
て、局所振動の発生が回避でき、フィードバックループ
中に不要信号が導かれることもなくなる。以って、除振
および制振特性を容易に電気調整できる、という効果が
もたらされる。（３）通常、能動的除振装置の上には精密機器群が搭載
され、これらが達成せねばならない性能は除振台の除振
・制振性能に大きく依存する。本第６の局面によれば、
除振台の性能が向上するので精密機器群が本来有する能
力を損ねることがない、という効果がある。（４）２分割フォトダイオードにおける出力（Ａ−Ｂ）
や、４分割フォトダイオードの出力｛（ａ＋ｂ）−（ｃ
＋ｄ）｝と｛（ａ＋ｄ）−（ｂ＋ｃ）｝は、光スポット
が受光面の平衡点に位置するとゼロとなる。除振台の浮
上平衡位置でこれらの出力信号が零となるように受光面
ないし発光素子の位置は調整可能である。このとき、制
御ループはゼロリファレンス入力の構造となり、従来装
置における目標電圧設定手段１０は不要となる。すなわ
ち、回路構成が簡便になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る空気バネ式能動
的除振装置の構成図である。

【図２】図１の装置の有効性を示す数値実験結果を表
わす波形図である。

【図３】本発明の第２の実施例に係る空気バネ式能動
的除振装置の構成図である。

【図４】本発明の第３の実施例に係る空気バネ式能動
的除振装置の構成図である。

【図５】図４の装置の効果を示す数値実験結果を表わ
す波形図である。

【図６】本発明の第４の実施例に係る空気バネ式防振
装置である。

【図７】図６の装置の有効性を示す数値実験結果を表
わす波形図である。

【図８】図９の装置の有効性を示す数値実験結果を表
わす波形図である。

【図９】本発明の第５の実施例に係る空気バネ式防振
装置の構成図である。

【図１０】本発明の第６の実施例に係る能動的除振装
置の構成図である。

【図１１】図２４の能動的除振装置の制御ブロック図
である。

【図１２】図１０の能動的除振装置の制御ブロック図
である。

【図１３】図１０における参照モデルＫ_m （ｓ）の極
配置を示す図である。

【図１４】目標値フィードフォワード補償器の有無に
よるステップ応答（飽和無しの場合）を比較した波形図
である。

【図１５】目標フィードフォワード補償器の有無によ
るステップ応答（飽和有りの場合）を比較した波形図で
ある。

【図１６】２分割フォトダイオードを用いた位置セン
サの検出原理図である。

【図１７】４分割フォトダイオードを用いた位置セン
サの検出原理図である。

【図１８】本発明の第７の実施例に係る能動的除振装
置の構成図である。

【図１９】本発明の第８の実施例に係る能動的除振装
置の構成図である。

【図２０】１次元ＰＳＤの断面図である。

【図２１】従来の空気バネ式能動的除振装置を示す図
である。

【図２２】ＸＹステージの構造を示す図である。

【図２３】ステップアンドリピート駆動時の位置偏差
信号の一例を示す実測結果と数値実験である。

【図２４】空気バネをアクチュエータとする従来の他
の空気バネ式防振装置の構成を示す図である。

【図２５】補償器の差異による立ち上がり特性を示す
波形図である。

【図２６】補償器の差異による目標値ステップ応答波
形図である。

【図２７】図２４の装置における除振台の制御ブロッ
ク図である。

【図２８】空気バネをアクチュエータとする従来のさ
らに他の能動的除振装置装置の構成を示す図である。

【図２９】図２８における空気バネ式支持脚の構造図
である。

【図３０】図２９の支持脚における位置センサの取付
けを示す図である。

【符号の説明】

１：除振台、２，２ａ〜ｄ，２Ｖ，２Ｈ：空気バネアク
チュエータ、３，３ａ〜ｄ：位置計測手段、４，４ａ〜
ｄ：振動計測手段、５，５ａ〜ｄ：空気バネ式支持脚、
６，６ａ〜ｄ，６Ｖ，６Ｈ：ゲイン補償器またはフィル
タ、７，７ａ〜ｄ，７Ｖ，７Ｈ：電圧電流変換器または
電力増幅器、８，８ａ〜ｄ：変位増幅器、９，９ａ〜
ｄ：比較回路、１０，１０ａ〜ｄ：目標電圧入力端子ま
たは平衡位置目標電圧発生手段、１１，１１ａ〜ｄ，１
１Ｖ，１１Ｈ：ＰＩ補償器、１２：ＸＹステージ、１
３：Ｘステージ、１４：微動ステージ、１５：シリコン
ウエハ、１６：Ｙステージ、１７ＹＲ，１７ＹＬ：リニ
アモータの可動子、１８Ｘ：リニアモータの固定子であ
るコイル、１９ＹＲ，１９ＹＬ：リニアモータの固定子
であるコイル、２０：ステージ定盤、２１Ｘ：Ｘ軸計測
用のバーミラ、２１Ｙ：Ｙ軸計測用のバーミラ、２２：
運動モード抽出手段、２３：安定化補償器、２３ａ〜
ｄ：ＰＩ² 補償器、２４Ｚ：ＰＩ補償器、２４Ｘ，２４
Ｙ：ＰＩ² 補償器、２５：運動モード抽出手段、２６
Ｚ，２６Ｘ，２６Ｙ：ゲイン補償器、２７：運動モード
分配手段、２８：レーザ干渉計、２９：位置検出手段、
３０：位置目標端子、３１：ＰＩＤ補償器、３２：電力
アンプ、３３：プロファイラ、３４：駆動パターン、３
５：補正電圧のパターン、３６：分配器、３７ａ〜ｄ：
目標電圧設定手段、４１，４１Ｖ，４１Ｈ：サーボバル
ブ、４２：予圧手段、４３：粘性要素、４６：可変補償
器、４７：ヒステリシスコンパレータ、４８：いき値設
定手段、４９：電子スイッチ、５０，５０Ａ，５０Ｂ：
フィードバック装置、５１：上限いき値設定手段、５
２：下限いき値設定手段、５３：ウインドコンパレー
タ、６６：第１のフィードフォワードパス、６７：第２
のフィードフォワードパス、６８：参照モデル、６９：
目標値フィードフォワード補償器、７３：２分割フォト
ダイオード、Ａ，Ｂ：２分割フォトダイオードの受光領
域、ａ，ｂ，ｃ，ｄ：４分割フォトダイオードの受光領
域、７４：光スポット、７５：電流電圧変換部、７６：
演算部、７７：ホルダ、７８：４分割フォトダイオー
ド、７９：支持脚外筒、８０：発光素子、８１：被支持
構造物、８２：抵抗半導体基板、８３：ｐ層、８４：ｎ
層、８５：入射光、８６：光線、８７：折り曲げミラ
ー、８８：発振器、８９：発光素子駆動回路、９０：乗
算器、９１：ローパスフィルタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】除振台と、該除振台に駆動力を付与する
空気バネアクチュエータと、前記除振台の振動を検出す
る振動検出手段と、前記除振台の位置を検出する位置検
出手段と、前記振動検出手段の出力によってダンピング
を与える加速度フィードバックループと、前記位置検出
手段の出力から位置偏差信号を生成して補償を掛ける位
置ループとを有する能動的除振装置において、前記位置
ループ中に、ＰＩ補償器に積分器を１個追加したＰＩ²
補償器を備えた安定化補償器が配置されていることを特
徴とする能動的除振装置。
【請求項２】前記加速度フィードバックループには前
記振動検出手段の出力から前記除振台の並進や回転の運
動モードを演算する加速度に関する運動モード抽出手段
を備え、前記位置ループには前記位置偏差信号から前記
除振台の並進や回転の運動モードを演算する位置に関す
る運動モード抽出手段と、前記位置に関する運動モード
抽出手段の複数個の出力をそれぞれ補償する安定化補償
器とを備え、前記安定化補償器の出力と前記加速度フィ
ードバックループの出力とを加算した信号を入力して複
数個の前記空気バネアクチュエータのそれぞれが発生す
べき駆動力の割合を決める運動モード分配手段を備え、
少なくとも一つの運動モードに対する前記安定化補償器
が前記ＰＩ² 補償器であることを特徴とする請求項１記
載の能動的除振装置。
【請求項３】前記運動モード抽出手段は、並進および
該並進の方向と垂直な２つの軸回りの回転の３つの運動
モードを演算するものであり、そのうちで軸回りの回転
である２つの運動モード出力を補償する安定化補償器が
ＰＩ² 補償器であることを特徴とする請求項２記載の能
動的除振装置。
【請求項４】前記ＰＩ² 補償器は位相進み補償などの
位相回復手段を組み込まれていることを特徴とする請求
項１〜３のいずれかに記載の能動的除振装置。
【請求項５】除振台と、該除振台に駆動力を付与する
空気バネアクチュエータと、前記除振台の振動を検出す
る振動検出手段と、前記除振台の位置を検出する位置検
出手段と、前記振動検出手段の出力によってダンピング
を与える加速度フィードバックループと、前記位置検出
手段の出力から位置偏差信号を生成して補償を掛ける位
置ループとを有する能動的除振装置において、前記除振
台を位置決めする平衡位置と等価な電圧を印加する目標
電圧入力端子に前記除振台に搭載するＸＹステージのス
テップアンドリピート駆動によって生じるオフセットを
修正する補正電圧のパターンを重畳する手段を設けたこ
とを特徴とする能動的除振装置。
【請求項６】前記振動検出手段は加速度センサである
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の能動
的除振装置。
【請求項７】除振台と、該除振台を支持する空気バネ
と前記空気バネの圧力を調整するサーボバルブと前記除
振台の位置を検出する位置センサと前記除振台の振動を
検出する振動センサと前記除振台に予圧を付与する予圧
手段と前記除振台に働く粘性要素とからなる空気バネ式
支持脚と、前記位置センサの出力を電気信号に変換する
変位増幅器と、目標位置を指定する目標電圧設定手段
と、前記変位増幅器の出力と前記目標電圧設定手段の出
力とを比較する比較回路と、前記比較回路の出力信号に
対して補償を施す補償器と、前記振動センサの出力を電
気信号に変換し且つ適切なフィルタリングを行なうフィ
ルタと、前記補償器の出力と前記フィルタの出力とを加
算した信号に基づいて前記サーボバルブを駆動する電圧
電流変換器とを具備する除振装置において、前記目標電圧設定手段で定められる目標位置の手前の位
置を指定するいき値設定手段と、該いき値設定手段と前
記変位増幅器の出力信号とを入力とするヒステリシスコ
ンパレータとを設け、かつ前記補償器を前記ヒステリシ
スコンパレータの出力に応動してＰ補償器とＰＩ補償器
とに切り換えられる可変補償器としたことを特徴とする
能動的防振装置。
【請求項８】除振台と、該除振台を支持する空気バネ
と前記空気バネの圧力を調整するサーボバルブと前記除
振台の位置を検出する位置センサと前記除振台の振動を
検出する振動センサと前記除振台に予圧を付与する予圧
手段と前記除振台に働く粘性要素とからなる空気バネ式
支持脚と、前記位置センサの出力を電気信号に変換する
変位増幅器と、目標位置を指定する目標電圧設定手段
と、前記変位増幅器の出力と前記目標電圧設定手段の出
力とを比較する比較回路と、前記比較回路の出力信号に
対して補償を施す補償器と、前記振動センサの出力を電
気信号に変換し且つ適切なフィルタリングを行なうフィ
ルタと、前記補償器の出力と前記フィルタの出力とを加
算した信号に基づいて前記サーボバルブを駆動する電圧
電流変換器とを具備する除振装置において、前記目標電圧設定手段によって定められる目標位置の前
後にいき値を設定する上限いき値設定手段および下限い
き値設定手段と、これらのいき値設定手段によって前記
変位増幅器の出力範囲を判定するウインドコンパレータ
とを設け、かつ前記補償器を前記ウインドコンパレータ
の出力に応動してＰ補償器とＰＩ補償器とに切り換えら
れる可変補償器としたことを特徴とする能動的防振装
置。
【請求項９】被支持物の変位を計測する位置センサと
被支持物の振動を計測する振動センサと被支持物に駆動
力を与える空気バネとからなる空気バネ式支持脚と、複数個の前記空気バネ式支持脚によって支持される除振
台と、前記除振台を安定に位置決めするための前記各空気バネ
式支持脚に対する加速度フィードバックと位置フィード
バックを施すフィードバック装置と、前記フィードバック装置に位置決めの信号をフィードフ
ォワード入力する目標値フィードフォワード補償器とを
備えたことを特徴とする能動的除振装置。
【請求項１０】前記目標値フィードフォワード補償器
は、望ましい応答を示す参照モデルＫ_m （ｓ）と、前記参照モデルＫ_m （ｓ）の出力を入力として前記フィ
ードバック装置内の平衡位置目標電圧の入力端子に至る
第１のフィードフォワードパスＮ_p （ｓ）と、前記参照モデルの出力を入力として前記フィードバック
装置内のＰＩ補償器後段に加算する第２のフィードフォ
ワードパスＤ_p （ｓ）と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の能動的除
振装置。
【請求項１１】前記第１のフィードフォワードパスＮ
_p （ｓ）の伝達関数は１であり、前記第２のフィードフォワードパスＤ_p （ｓ）の伝達関
数は加速度フィードバックを含めた制御対象の伝達関数
の分母多項式であり、前記参照モデルＫ_m （ｓ）の伝達関数は、一個の実根と
一対の複素根とからなり且つ負の実根が互いに等しい３
次遅れ系である、ことを特徴とする請求項９または１０
記載の能動的除振装置。
【請求項１２】除振台と、該除振台を受動的に支持す
る予圧手段および粘性要素と、前記除振台に駆動力を付
勢するためのアクチュエータと、前記除振台の振動を検
出する振動センサと、前記除振台の２軸方向の位置を検
出する２次元光位置検出手段と、前記２次元光位置検出
手段の出力を電気信号に変換する電気信号変換手段と、
前記振動センサの出力をフィルタリングする適切な時定
数を持つフィルタと、前記電気信号変換手段の出力を補
償するＰＩ補償器と、前記フィルタと前記ＰＩ補償器の
出力とを加算した信号で前記アクチュエータを駆動する
電力増幅器とを備えたことを特徴とする能動的除振装
置。
【請求項１３】前記２次元光位置検出手段は、発光素
子と４分割フォトダイオードとの対からなることを特徴
とする請求項１記載の能動的除振装置。
【請求項１４】前記２次元光位置検出手段は、発光素
子とＰＳＤとの対からなることを特徴とする請求項１記
載の能動的除振装置。
【請求項１５】前記電気信号変換手段は、前記２次元
光位置検出手段の受光素子に流れる電流を電圧に変換す
るための電流電圧変換部と、前記電流電圧変換部の出力
から２次元の位置を算出するための演算部と、同期検波
のための源発振となる発振器と、前記発振器の出力で駆
動されて前記２次元光位置検出手段の発光素子を駆動す
る発光素子駆動回路と、前記演算部の出力と前記発振器
の出力とを乗算する乗算器とで構成されていることを特
徴とする請求項１記載の能動的除振装置。