JPH10256141A - 能動的除振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 除振台およびその搭載機器を構成する構造体
の変形を防止し搭載機器の性能向上を図る。 【解決手段】 空気ばねアクチュエータと、振動計測手
段と、位置計測手段と、圧力計測手段または荷重計測手
段のような加圧力計測手段とを有する能動的支持脚を複
数台用いて精密機器を搭載する除振台を支えて除振と制
振を行なう装置であって、除振台に無用の力が印加され
てこれを変形させないようにする加圧力フィードバック
ループと、除振台の振動を計測してダンピングを付与す
る加速度フィードバックループと、除振台の位置を計測
して指定した平衡位置に定常偏差なく位置決めする位置
フィードバックループとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、能動的除振装置に
関し、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、空気ばねアクチュエータを用いた
空気ばね式の能動的除振装置に関する。

【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、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。
何故ならば、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転
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、搭載された機器自身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実現することが求められ
る。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。

【０００３】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ばね、ボイスコイルモータ、圧電素
子などが知られている。本発明では空気ばねをアクチュ
エータとした能動的除振装置を対象に具体的説明を行な
う。

【０００４】まず、図１１を参照して空気ばねをアクチ
ュエータとする従来技術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、１は精密機器を搭載す
る除振台、２ａ〜ｄは能動的支持脚である。能動的支持
脚２ａ〜ｄの主な構成要素として、３ａ〜ｄは水平方向
の振動を計測する振動計測手段、４ａ〜ｄは水平方向に
駆動力を発生する不図示のサーボバルブを含めた空気ば
ねアクチュエータ、６ａ〜ｄは水平方向の変位を計測す
る位置計測手段である。ここで、振動計測手段３ａ〜ｄ
としては加速度センサやジオフォンセンサなどが、位置
計測手段６ａ〜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センサなどが使
用できる。図示のように、除振台１の４隅には、上述の
空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄ、位置計測手段６ａ〜
ｄ、振動計測手段３ａ〜ｄなどを主たる構成要素として
内蔵する能動的支持脚２ａ〜ｄを配置し除振台１とその
上に搭載する精密機器とを支持している。なお、除振台
１を鉛直方向に支持する主構成要素については不図示で
あるが、上述した水平方向の構成と同様になる。

【０００５】次に、能動的支持脚２ａ〜ｄに対する運動
モード別の非干渉化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
３ａ〜ｄの電気出力Ａａ〜ｄは、除振台１のｘ軸方向並
進運動、ｙ軸方向並進運動、そしてｚ軸回りの回転運動
を抽出する加速度に関する運動モード抽出手段７Ａに導
かれて運動モード加速度信号（ａ_x ，ａ_y ，ａθ_z ）を
得る。この信号は適切な増幅度と時定数とを有するゲイ
ン補償器１７_x ，１７_y ，１７_z を介して運動モード別
の加速度に関する負帰還信号となり、これを運動モード
分配手段９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運動モード別にダンピングが付与
され機構の安定化が図られる。

【０００６】さらに、位置計測手段６ａ〜ｄの電気出力
Ｚａ〜ｄは偏差増幅器１０ａ〜ｄの入力となる。各偏差
増幅器１０ａ〜ｄへのもう一つの入力は位置目標電圧入
力端子１１から印加される。この入力端子から指定した
電圧は、能動的支持脚２ａ〜ｄが設置されている基礎
（床など）からの除振台１の平衡位置となる。偏差増幅
器１０ａ〜ｄの出力である位置偏差信号ｅ_a 〜_d は変位
に関する運動モード抽出手段７Ｐへの入力となり、その
出力は運動モード偏差信号（ｓ_x ，ｓ_y ，ｓθ_z）とな
る。これらの信号は運動モードごとに定常偏差を零にす
るための補償器であるＰＩ補償器１２_x ，１２_y ，１２
θ_z に導かれて位置フィードバックループを構成してい
る。次いで、ＰＩ補償器１２_x ，１２_y ，１２θ_z の出
力信号と先に説明したゲイン補償器１７_x ，１７_y ，１
７_z の出力である運動モード別の加速度に関する負帰還
信号とを加算して運動モード別の駆動信号（ｄ_X ，ｄ
_y ，ｄθ_z ）を得る。ここで、Ｐは比例を、Ｉは積分動
作をそれぞれ意味する。運動モード別の駆動信号（ｄ
_X ，ｄ_y ，ｄθ_z ）は、各軸への駆動信号を生成する運
動モード分配手段９への入力となる。この運動モード分
配手段９の出力信号（ｄ_a，ｄ_b ，ｄ_c ，ｄ_d ）で各軸
の電圧電流変換器８ａ〜ｄが駆動されると、不図示のサ
ーボバルブの弁開閉によって空気ばねアクチュエータ４
ａ〜ｄの内圧が調整され除振台１は位置目標電圧入力端
子１１で設定した所望の位置に定常偏差なく保持でき
る。

【０００７】図１２は能動的支持脚２ａ〜ｄの配置を示
す上面図であり、各支持脚内に記入した両側矢印は空気
ばねアクチュエータ４ａ〜ｄの駆動方向であると同時
に、振動計測手段３ａ〜ｄと位置計測手段６ａ〜ｄの計
測方向を示す。これらの駆動と計測方向とを持たせるこ
とによって、ｘ軸並進、ｙ軸並進、およびｚ軸回りの回
転運動が制御可能なことは容易に理解できる。

【０００８】さて、図１１に戻って、構造の詳細な説明
は省略するが、除振台１の上には精密機器であるＸＹス
テージ１３が搭載されている。ＸＹステージ１３が方向
反転を繰り返しながらＸ方向にステップアンドリピート
したときの現象を説明しよう。このとき、主にｘ軸方向
の並進運動とｙ軸回りの回転運動を発生させる。後者に
ついては、不図示のｚ軸方向の空気ばねアクチュエータ
が駆動力を発生して除振および制振動作を行なう。ＸＹ
ステージ１３が方向反転するときには、ｘ軸方向への駆
動とともにｙ軸への駆動がなされるので、これらの駆動
反力はｚ軸回りの回転運動を発生させるように作用す
る。このときの除振台を含めた構造体の変形を観測した
結果、それはＸＹステージ１３の位置決め精度あるいは
ウエハ露光にとって無視できない量であることが判明し
た。この現象発現の原因は、加速度の零化と位置の平衡
位置への追従は各々加速度と位置とのフィードバックル
ープによって保証されているものの、空気ばねアクチュ
エータ４ａ〜ｄの内圧については一定圧にするという制
御が掛けられていなかったためによる。すなわち、圧力
変化は放任されていたのである。圧力変化は力の変化で
あり、アンバランスな力の印加は除振台１を含む構造体
の変形をもたらす。この変形はそれに搭載されている不
図示の計測機器の読みを狂わせる。例えば図１１に示す
装置が半導体露光装置の場合、最終的にはウエハに対す
る露光結果を歪ませるので生産性を著しく落としてい
た。

【０００９】なお、上述した問題の解決を狙いとする公
知例として、特開平８−１６６０４３号公報に開示され
た防振装置がある。これは複数の荷重センサを備えた除
振装置であり、同センサの検出結果に応じて防振パッド
から受ける反力のバランスが変化しないように高さ調整
手段での調節量を制御することを特徴としている。目的
は、反力に原因した定盤（除振台）の変形を抑制ないし
軽減して定盤上のステージの位置決め精度等が悪化する
という不都合を解消することとしている。しかし、該公
報における構造体の変形を抑止する技術的手段をみる
と、該公報記載の記号を使用して、荷重センサ（５Ａ〜
５Ｄ）の測定値に基づき各防振動パッドから受ける反力
のバランスが変化しないように各高さ調節手段である上
下動機構（３Ａ〜３Ｄ）の調節量を制御する、としてい
る。すなわち、荷重センサの計測値を、高さ調節手段を
アクチュエータとして構成する閉ループ系への目標値と
して使用しているのであり、閉ループ系の中において荷
重センサの測定値をフィードバックするマイナーループ
は構成されていない、と理解される。さらに、上下動機
構としては、ねじ駆動による電動式と空気式ダンパを挙
げているが、後者の場合、荷重センサの計測値に基づい
て空気ダンパの閉ループ系への目標値を生成してこれを
印加しても同系の応答が極めて緩慢なため、特にステッ
プアンドリピートという周期の短い間欠運動によって生
じる荷重変動を抑制できるものではなかった。

【００１０】一方、従来から、除振台上の搭載機器であ
る例えばＸＹステージ１３の駆動に原因した反力を抑制
するため、同ステージの駆動タイミングに同期した信号
を適切に信号処理して能動的除振装置に対してフィード
フォワードを行なうという、いわゆるステージ反力フィ
ードフォワード技術が知られていた。同様に、装置が設
置される基礎（床）の振動が機構部材を介して除振台上
に伝播することを抑制する目的で、 床の振動を適切な床
振動検出手段を使って検出し、 その信号を適切に信号処
理して、 やはり能動的除振装置に対してフィードフォワ
ードする、 いわゆる床振動フィードフォワード技術も知
られていた。 しかし、 上記何れのフィードフォワード
も、 能動的除振装置内のドライブ特性を加味してフィー
ドフォワード補償器の設計がなされねばならない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の能動的除振装置
では、ダンピング付与のための加速度フィードバックル
ープと姿勢保持のための位置フィードバックループとが
設けられていた。しかし、最終的に、能動的支持脚２ａ
〜ｄによって支えられる除振台１を含む構造体に印加さ
れる力は、制御の管理下には置かれていなかった。その
ため、精密な搭載機器であるところの例えばＸＹステー
ジ１３が除振台上で急速な加減速運転を行なったとき、
激しい反力が発生する結果として荷重も大きく揺動し、
構造体に余計な力を与えてこれを歪ませていた。何故な
らば、圧力あるいは荷重変動に対する修正機構としての
フィードバックループが存在しないということは、それ
が野放しであることを意味し、フィードバックループが
存在する加速度および位置偏差信号の定常状態での零化
を実現するために、不自然な力を発生させることがあっ
た。構造体の変形は、それに搭載される不図示の計測機
器の読み値や、ＸＹステージ１３を位置決めするに必要
な不図示のレーザ干渉計の読み値などを狂わせるので、
露光精度を劣化させ、ひいては生産性を著しく阻害する
ことが課題として残されていた。

【００１２】本発明は、上述した従来例における問題点
に鑑みてなされたもので、除振台およびその搭載機器を
構成する構造体の変形を防止し搭載機器の性能向上に寄
与する能動的除振装置を提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は上述
の課題を解決するためになされたものである。すなわ
ち、本発明の能動的除振装置は、空気ばねアクチュエー
タと、振動計測手段と、位置計測手段と、圧力計測手段
または荷重計測手段のような加圧力計測手段とを有する
能動的支持脚を複数台用いて精密機器を搭載する除振台
を支えて除振と制振を行なう装置であって、除振台に無
用の力が印加されてこれを変形させないようにする加圧
力フィードバックループと、除振台の振動を計測してダ
ンピングを付与する加速度フィードバックループと、除
振台の位置を計測して指定した平衡位置に定常偏差なく
位置決めする位置フィードバックループとを備えてい
る。

【００１４】本発明の第１の実施の形態において、加圧
力フィードバックは、空気ばねアクチュエータの内圧を
計測する圧力計測手段に基づいた場合には圧力フィード
バックとなり、荷重計測手段に基づく場合には荷重フィ
ードバックとなる。

【００１５】さらに、加速度フィードバックループと位
置フィードバックループは共に除振台の運動モードに基
づく非干渉化制御系であり、加圧力フィードバックルー
プは除振台を支持する空気ばねアクチュエータの個数ご
と独立に備えられていることを特徴とする。

【００１６】より具体的に、加圧力フィードバックルー
プは、空気ばねアクチュエータの内圧を圧力計測手段に
よって検出してそれを適切なゲインを有する圧力補償器
を介して空気ばねアクチュエータを駆動する電圧電流変
換器の前段に負帰還した圧力フィードバック系、または
空気ばねアクチュエータの駆動力を荷重計測手段によっ
て検出してそれを適切なゲインを有する圧力補償器を介
して空気ばねアクチュエータを駆動する電圧電流変換器
の前段に負帰還した荷重フィードバック系であり、圧力
フィードバック系または荷重フィードバック系の１次遅
れの極をキャンセルする零点を持つＰＩ補償器を圧力フ
ィードバック系または荷重フィードバック系の中に備え
る。上述の加圧力フィードバックループの他の一形態と
しては、空気ばねアクチュエータの内圧を圧力計測手段
によって検出してそれを適切なゲインを有する圧力補償
器を介して負帰還して、その負帰還信号と指令電圧とを
比較して得られる偏差信号を前置圧力補償器としてのＰ
Ｉ補償器を介して空気ばねアクチュエータを駆動する電
圧電流変換器に入力する圧力フィードバック系、または
空気ばねアクチュエータの駆動力を荷重計測手段によっ
て検出してそれを適切なゲインを有する圧力補償器を介
して負帰還し、この負帰還信号と指令電圧とを比較して
得られる偏差信号を前置圧力補償器としてのＰＩ補償器
を介して前記空気ばねアクチュエータを駆動する電圧電
流変換器に入力する荷重フィードバック系であってもよ
く、前置圧力補償器としてのＰＩ補償器の零点は、電圧
電流変換器から空気ばねアクチュエータの内圧または力
までの１次遅れの周波数特性としての極を相殺するよう
に設定されていることを特徴とする。

【００１７】ここで、上記の加圧力フィードバックルー
プを備えた場合、除振台を平衡位置に定常偏差なく位置
決めする機能を持つ位置偏差信号の対するＰＩ補償器に
代えてゲイン補償器を使用しても構わない。

【００１８】また、本発明の第２の実施の形態において
は、空気ばねアクチュエータと、振動計測手段と、位置
計測手段と、圧力計測手段または荷重計測手段などの加
圧力計測手段とを有する能動的支持脚を複数台用いて精
密機器を搭載する除振台を支えて除振と制振を行なう装
置であって、加圧力計測手段の出力に基づく加圧力フィ
ードバックループと、振動計測手段の出力に基づく加速
度フィードバックループと、位置計測手段の出力に基づ
く位置フィードバックループとからなる閉ループ系と、
除振台が設置された床の振動を計測する床振動計測手段
と、床振動計測手段の出力を信号処理する床振動フィー
ドフォワード補償器と、精密機器の駆動信号を適切に信
号処理するステージ反力フィードフォワード補償器とを
備え、床振動フィードフォワード補償器とステージ反力
フィードフォワード補償器の出力が加圧力フィードバッ
クループの前段に加算されるように構成されている。

【００１９】ここで、床振動フィードフォワード補償器
はＰＩ補償器の２段カスケード接続であり、その零点の
一つは加圧力フィードバックループの１次遅れ系として
の極を相殺し、もう一つの零点は除振台の粘性摩擦係数
をＣ、ばね定数をΚとおいて−Ｋ／Ｃとなるように各々
設定されている。

【００２０】より簡易な床振動フィードフォワード補償
器の実現としては、積分器とＰＩ補償器のカスケード接
続が考えられ、このＰＩ補償器の零点は加圧力フィード
バックループの１次遅れ系としての極を相殺するよう設
定されているものであっても構わない。

【００２１】また、ステージ反力フィードフォワード補
償器は、位相進み補償器であり、その零点は加圧力フィ
ードバックループの１次遅れ系としての極を相殺するよ
うに設定され、極は高周波域に折点を持つように適切に
設定されているものである。

【００２２】

【作用】「空気ばねの内圧」×「有効受圧面積」が構造
体に加わる力である。空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄ
の内圧を指定して、それに一致させるような制御を掛け
るということは、構造体に印加される力をコントロール
することにほかならない。同様に、構造体に印加される
力を直接計測してこれを指定した値に一致させるような
制御を掛ければ、構造体に印加される力がコントロール
できる。従来、空気ばねをアクチュエータとして持つ能
動的除振装置においては、加速度フィードバックループ
と位置フィードバックループとが設けられていた。前者
は振動を零にもっていくダンピングの機能があり、後者
は指定した姿勢に定常偏差なく収束させるように作用す
る。このとき、圧力あるいは力は制御されていないた
め、言ってみれば野放しであり不自然な圧力あるいは力
の発生によって加速度を零に、そして位置の定常偏差を
零にもっていく場合があった。つまり、構造体の変形を
招く圧力変化あるいは力変化を発生させることがあっ
た。

【００２３】本発明の第１の実施の形態では、構造体の
変形を招来させないという目的で加圧力フィードバック
ループを導入している。そのため、構造体に加える力を
予め定めた値にコントロールするので無理な力を構造体
に与えてこれを歪ませることがないように作用する。

【００２４】一方、従来から、能動的除振装置において
はアクチュエータを積極的に活用するため、フィードフ
ォワード信号を閉ループ系に注入してより積極的に特性
を向上させることが行なわれていた。例えば、除振台へ
の搭載機器であるΧＹステージの運転に起因した反力を
抑制するためのステージ反力フィードフォワードや、床
の振動の除振台上への伝播を抑制する床振動フィードフ
ォワードである。しかしながら、上記何れのフィードフ
ォワードも、 能動的除振装置内のドライブ特性を加味し
てフィードフォワード補償器の設計がなされねばならな
い。すなわち、前記第１の実施の形態における加圧力フ
ィードバックループを備えた能動的除振装置において
は、 ステージ反力および床振動フィードフォワードを効
果的に作用させる補償器も従来とは異なるが、このよう
な加圧力フィードバックループを備えた能動的除振装置
に対して、これらのフィードフォワードを最適に実現す
る補償器の型が規定されていないことが課題として残さ
れている。

【００２５】本発明の第２の実施の形態では、床の振動
を検出した後適切な補償を施してフィードフォワードす
ることによって床から除振台への振動伝播を抑制する、
所謂床振動フィードフォワードや、除振台への搭載機器
である例えばΧＹステージの駆動信号を適切に補償して
アクチュエータにフィードフォワードすることによって
駆動反力による除振台の揺れを抑制する、所謂ステージ
反力フィードフォワードが実装された能動的除振装置へ
本発明を適用したものである。この場合、床振動フィー
ドフォワードやステージ反力フィードフォワードによる
効果を最大限に引き出すためには、本発明の加圧力フィ
ードバックループを新たに付加したという特殊性を考慮
して両フィードフォワード補償器をそれぞれ最適に設定
せねばならない。本実施の形態によれば、加圧力フィー
ドバックループの付加による特殊性を考慮して両フィー
ドフォワードの各補償器を設定したので、床からの振動
伝播を最適に抑制でき、かつ本実施の形態に係る除振装
置に搭載される精密機器、例えばＸＹステージの駆動反
力による除振台の揺れを効果的に抑制するように作用す
る。

【００２６】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。実施例１ 図１は本発明の第１の実施例に係る能動的除振装置の構
成を示す。図中、図１１の従来例と共通または対応する
部位については同一の符号を付して示す。図１の能動的
除振装置は図１１のものに対し、加圧力フィードバック
ループを新たに付加したものである。

【００２７】容易な理解を得るべく、１軸形能動的除振
装置を対象にして同フィードバックループをどのように
組み込むかを図２を参照して説明する。同図において、
破線で囲む部分が新たに組み込まれた加圧力フィードバ
ックループである。ここでは、空気ばねアクチュエータ
４の内圧を測定してこれをフィードバックする場合、す
なわち加圧力フィードバックが圧力フィードバックであ
る場合について説明する。

【００２８】まず、空気ばねアクチュエータ４の内圧は
圧力計測手段５によって計測され、適切な圧力補償器１
４を介して電圧電流変換器８の前段に負帰還されてい
る。さらに、除振台１の振動を振動計測手段３で計測し
て、その出力をゲイン補償器１７を介してフィードバッ
クした操作量が機構に対してはダンピングとして機能す
るように、新たにＰＩ補償器１６を前向きに挿入してい
ることが特徴である。ＰＩ補償器１６が必要な理由と、
そのパラメータの設定については、図２をブロック線図
へと書き直した図３に基づき数式を使って説明する。ま
ず、図３において電圧電流変換器８の入力ｖ_svから空気
ばねアクチュエータ４の内圧ｐまでの伝達関数を

【００２９】

【数１】 とおいている。実際には、極低周波域で折点を持つ１次
遅れ特性であるが、その周波数域以外の高域ではほとん
ど積分特性とみなせる。次に、内圧ｐを検出して圧力補
償器１４のゲインｐ_g で電圧電流変換器８の前段にフィ
ードバックする。このとき、電圧電流変換器８の新たな
入力ｗ_svから内圧ｐまでの伝達関数は次式となる。

【００３０】

【数２】 すなわち、１次遅れ特性となるので、低周波域では入力
ｗ _sv によって指定された一定の内圧ｐが得られる。上
式で表現される系に対してゲインＡの加速度フィードバ
ックを掛けた場合を考える。（２ａ）式を得た圧力フィ
ードバックが無いとき、すなわち単にゲインＡの加速度
フィードバックを電圧電流変換器８の前段に施したと
き、

【００３１】

【数３】 を得る。加速度フィードバックのゲインＡは機構にダン
ピングを付与する機能をもつ。これは、ｖ_svからｐまで
の伝達関数が積分特性であることに因る。しかるに、圧
力フィードバックを掛けた場合には、（２ａ）式の如く
ｗ_svからｐまでの特性は１次遅れとなって積分特性は消
滅してしまうので、この系にゲインＡの加速度フィード
バックを施したとしても、等価的には質量項を操作する
ように作用してしまい、機構を安定化するダンピングと
しての機能はなくなってしまう。そこで、図３に示すよ
うに、圧力フィードバックを掛けた系の手前にＰＩ補償
器１６を挿入して、同補償器の前段にゲインＡの加速度
フィードバックを施す。ただし、ＰＩ補償器１６の零点
を定めるＴはＴ_sv’と等しくなるように設定される。す
なわち、極と零点とで相殺を生じるようにする。このと
き、ｕ_svからｘまでの伝達関数は次式となる。

【００３２】

【数４】 上式より、加速度フィードバックのゲインＡはダンピン
グとして機能していることがわかる。なお、図３に符号
１２で指し示す伝達関数は、位置に関するＰＩ補償器で
あり、位置目標電圧ｒで指定した平衡位置に定常偏差な
く収束させるための補償器であることは説明するまでも
ない。なお、（２ａ）と（２ｂ）式は、内圧ｐを検出し
てそれを圧力補償器１４のゲインｐ_g を介して電圧電流
変換器８の前段にフィードバックした場合の伝達関数で
ある。このとき、ｖ_svからｐまで特性が完全に（１）式
のように表現されるときには、ｗ_svの指令に対して定常
偏差を生じない。しかし、文中にも記したように実際に
は次式の如く１次遅れ特性である。

【００３３】

【数５】 この特性を踏まえて以下のように構成することは妨げら
れない。まず、ｗ_svの指令に対して定常偏差を生じさせ
ないようにするために、他の圧力制御のブロック図であ
る図４を参照してｖ_svの前段に前置圧力補償器１９を挿
入する。前置圧力補償器１９としては、例えば図中の如
くＰＩ補償器が用いられる。このとき、圧力指令電圧ｗ
_svから実際の圧力ｐまでの伝達関数は次式となる。

【００３４】

【数６】 ここで、Ｔ_v ＝Ｔ_sv と選ぶ。すなわち、極低周波に折
点を有する１次遅れの極−１／Ｔ_sv を前置圧力補償器
（ＰＩ補償器）１９の零点ー１／Ｔ_v でキャンセルす
る。このとき次式のように１次遅れ特性を得、ｗ_svで指
定した圧力に定常偏差なく追従する特性となる。

【００３５】

【数７】 （７）式を得られるように構成した上で（４）式を得る
べく、図２に示したように新たなＰＩ補償器１６を設け
ることは上述の通りである。

【００３６】さて、以上の背景を踏まえて再び図１を参
照する。同図において、５ａ〜ｄは空気ばねアクチュエ
ータ４ａ〜ｄの内圧を測定する圧力計測手段、１４ａ〜
ｄは圧力補償器、１５は圧力補償器１４ａ〜ｄへのもう
一つの入力であって各空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄ
の基準となる内圧と等価な電圧を設定する圧力目標電圧
入力端子である。圧力計測手段５ａ〜ｄとしては、拡散
半導体歪ゲージ式、金属歪ゲージ式、力平衡式、差動キ
ャパシタンス式、ブルドン管式、ベローズ式などのセン
サが使用できる。図示のように、圧力補償器１４ａ〜ｄ
の出力信号は不図示のサーボバルブを駆動する電圧電流
変換器８ａ〜ｄの前段に負帰還されている。そして、図
２あるいは図３を使って説明したように、圧力補償器１
４ａ〜ｄの出力を負帰還したその前段には、新たにＰＩ
補償器１６ａ〜ｄを挿入する。すでに説明したように、
圧力フィードバックによって各支持脚の電圧電流変換器
８ａ〜ｄの入力から空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄの
内圧までの特性が１次遅れとなるので、ＰＩ補償器１６
ａ〜ｄの各零点はこれら１次遅れの極を相殺するように
設定される。このようにすると、加速度に関する運動モ
ード抽出手段７Ａの出力をゲイン補償器１７_x ，１７
_y ，１７_z を介して運動モード分配手段９の前段にフィ
ードバックした操作量は純粋にダンピングとしての作用
を持たせられる。一方、ＰＩ補償器１６ａ〜ｄの部位が
単純にゲイン要素である場合には、圧力フィードバック
を施した系が１次遅れ特性となるので加速度に関する運
動モード抽出手段７Ａの出力をゲイン補償器１７_x ，１
７_y ，１７_z を介してフィードバックした操作量はダン
ピングとして機能しない。

【００３７】再度、図１に示す本発明の実施例の特徴を
主張しておく。ここでは、位置と加速度はともに運動モ
ードに基づく非干渉化制御系の構成を採っており、した
がって運動モード別にきめ細かく除振台１の姿勢制御特
性が調整できるループの骨格を備えている。この構造に
対して、圧力フィードバックは各空気ばねアクチュエー
タごと独立にループが組まれ、除振台１を含めた構造体
に変形あるいは歪を与えないように各軸の空気ばねアク
チュエータ４ａ〜ｄの内圧が制御される。この際、単純
に圧力フィードバックだけを付加すると加速度フィード
バックによるダンピングの機能が損なわれるので、圧力
をフィードバックした系に前置する形で前向きに新たな
ＰＩ補償器１６ａ〜ｄを挿入する。しかも、その零点は
圧力フィードバックによる１次遅れ特性の極をキャンセ
ルするように設定する。除振台１上のＸＹステージ１３
の性能指標は、位置決め時間と位置決め精度で規定され
るが、これらの性能指標を極限まで追求するとき、除振
台１の姿勢制御特性が大きく影響することが分かってい
る。特に、加速度に関する運動モード抽出手段７Ａの出
力信号をゲイン補償器１７_x ，１７_y ，１７_z を介して
フィードバックする所謂加速度フィードバックループの
ゲイン調整は、ＸＹステージ１３の位置決め時間に大き
く影響する。単純な圧力フィードバックの付加は加速度
フィードバックによるダンピングの能力を損なうので、
除振台１を平衡位置に安定に支持できない事態を招くば
かりか、安定に支持し得たとしてもその上に搭載される
ＸＹステージ１３の位置決め性能を劣化させてしまう、
という問題が生じる。故に、新たに挿入するＰＩ補償器
１６ａ〜ｄの存在は極めて重要である。

【００３８】なお、空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄの
内圧は圧力目標電圧入力端子１５への入力電圧によって
定められるが、除振台１を含めた構造体に変形ないし歪
を生じさせない圧力設定の一方法について言及してお
く。静的な変形は一定であれば許容することができ、そ
れが変動しないことが重要であることに注意して、例え
ば、ＸＹステージ１３の位置を計測する不図示のレーザ
干渉計の出力、あるいは不図示のアライメント系スコー
プの読み値、ないしは除振台１を含めた構造体の主要箇
所に貼り付けられた歪ゲージの出力信号を計測すること
により、それらが変動しないように圧力目標電圧入力端
子１５への電圧を設定することができる。

【００３９】実施例２ 上記の実施例１では、不図示のサーボバルブで駆動され
る空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄの特性が概略積分特
性であり、圧力フィードバックを施すことによって、そ
の特性が１次遅れ系になった。そこで、１次遅れ系の極
を相殺するＰＩ補償器１６ａ〜ｄを圧力フィードバック
を施した系の前段へ挿入することによって、積分特性を
復活させた。このようにすると、新たに挿入したＰＩ補
償器１６ａ〜ｄの前段に加速度信号を負帰還すると、そ
の操作量は機構ダイナミクスにとって純粋なダンピング
として機能させることができた。

【００４０】しかしながら、圧力フィードバックによる
１次遅れ系としての特性が、ダンピングを付与したい周
波数帯域でみると依然として概略積分特性である場合、
圧力フィードバックを掛けたことによって生じる１次遅
れ特性の極をキャンセルするための新たなＰＩ補償器１
６を敢えて挿入しなくても、必要な周波数帯域ではダン
ピングとしての機能が持たせられる。例えば、圧力フィ
ードバックによる系は１Ｈｚの折れ点周波数を持ち１次
遅れ特性であり、機構の主振動はそれに対して１デカー
ド（１０倍）以上離れた高域にある場合には、ＰＩ補償
器１６を新たに挿入しなくとも機構の主振動に対しては
ダンピングを与えることができる。例えば、具体的に
は、能動的支持脚２ａ〜ｄに支えられる除振台１とその
上の搭載物とを含めた全質量が軽い場合に相当する。上
記考えに基づくと、本発明の第２の実施例は図５のよう
になる。すなわち、図１から、ＰＩ補償器１６ａ〜ｄを
除去した能動的除振装置の構成になる。もちろん、運動
モード分配手段９の出力（ｄ_a ，ｄ_b ，ｄ_c ，ｄ_d ）か
ら見た空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄの内圧までの特
性は厳密には１次遅れ特性となるが、その折れ点は依然
として極低周波域に存在し、かつ運動モード分配手段９
の前段への加速度フィードバックによってダンピングを
与えねばならない周波数域が前記折れ点周波数に比較し
て十分高い場合には、敢えて図１の如きＰＩ補償器１６
ａ〜ｄを挿入しなくともよいのである。すなわち、圧力
フィードバックは指令入力が指定する一定の圧力を保持
しようと作用するし、加速度フィードバックは必要とす
る周波数域での機械共振ピークに対してダンピングを付
与するように機能し、そして位置フィードバックループ
は位置目標電圧入力端子１１で指定した目標電圧に定常
偏差なく収束するように作用する。

【００４１】実施例３ 上記の実施例１および２では、圧力フィードバックルー
プの挿入によって従来の能動的除振装置が備えていた加
速度および位置フィードバックループの補償器の骨格を
変更することがないようにした。このようにした方が、
従来の能動的除振装置で慣れた調整手順をそのまま引き
継いでいくことができるからである。

【００４２】これに対し、実施例３では位置フィードバ
ックループの骨格を変更する例を示す。原理を以下に示
す。（１）式で示したように、電圧電流変換器８の入力
ｖ_svから空気ばねアクチュエータ４の内圧ｐまでの特性
を積分特性とおいたが、実際には極低周波域で折れ点を
持つ１次遅れ特性であり（５）式の方がよく現実を表現
している。（８）式として再掲するが、一般的にＴ_svは
十分大きい。

【００４３】

【数８】 もし、電圧電流変換器８の入力ｖ_svから空気ばねアクチ
ュエータ４の内圧ｐまでの特性がまさに（１）式に示す
如く完全積分特性の場合には、その積分特性を利用する
ことによって加速度フィードバックによるダンピング付
与はもちろんのこと、位置フィードバックループの前向
き補償器（具体的にはＰＩ補償器１２）を単純にゲイン
としても定常位置偏差零が実現できる。しかし、実際に
は（８）式の特性なので、位置に関する定常偏差零を実
現するために、位置フィードバックループの前向き補償
にはＰＩ補償器１２を備える必要があった。

【００４４】上記の事実を踏まえて、再び（４）式を参
照する。同式中の積分器は新たに挿入したＰＩ補償器１
６のもので、その積分器（１／Ｔｓ）は不完全ではなく
完全なものである。この場合には、位置に関する補償器
を１２の如くＰＩとする必然性はなくなる。単純なゲイ
ン補償にしておいても定常位置偏差零を満たすように作
用する。

【００４５】ここで、一軸形能動的除振装置を対象に、
本発明の第３の実施例をブロック線図によって図６に示
す。図３においては、ＰＩ補償器１２を位置フィードバ
ックループの前向き補償として用いていたが、図６にお
いてはこれをゲインｋ_p のゲイン補償器１８にしている
ことが特徴である。本発明の第３の実施例を図１の能動
的除振装置へ展開すると、位置に関するＰＩ補償器１２
_x ，１２_y ，１２θ_zに代えてこれらを単純なゲイン補
償器に置き換えればよいことは明らかである。このよう
にすると、圧力目標電圧入力端子１５で指定した空気ば
ねアクチュエータの内圧が実現でき、かつ加速度フィー
ドバックループによって機構にダンピングを掛けること
ができ、もちろん位置に関する定常位置偏差を零にする
ことができる。位置フィードバックループの前向き補償
がゲイン補償器１８である場合とＰＩ補償器１２である
場合とを比較すると、前者の方がオーバシュートなく整
定する、という優れた特徴をもつに至る。

【００４６】実施例４上述した実施例１〜３において
は、何れも空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄの 内圧を圧力計測手段５ａ〜ｄによって測定してフィード
バックを行なった。すなわち、加圧力フィードバックが
圧力フィードバックの場合について本発明の内容を開示
した。ここで、圧力ｐに空気ばねアクチュエータの有効
受圧面積Ｓ_a を掛けたものが力ｆであるという明らかな
事実に注意すると、実施例１〜３では、ＸＹステージ１
３が動作することによって除振台１を含めた構造体に印
加される力、すなわち空気ばねアクチュエータの荷重が
フィードバックされているのである。つまり、圧力ｐを
フィードバックすることによって等価的に力ｆを管理下
において構造体を歪ませることを回避していたのであ
る。したがって、より直接的には、力ｆを検出して実施
例１〜３において開示した圧力フィードバックと同様の
効果を得ることが考えられる。すなわち、圧力フィード
バックに代えて、加圧力フィードバックが荷重フィード
バックとなる場合である。

【００４７】いま、電圧電流変換器８の入力ｖ_svから空
気ばねアクチュエータ４が発生する力ｆまでの伝達関数
は、（１）式を使って

【００４８】

【数９】 となり、（５）式を使って、

【００４９】

【数１０】 となる。（１）と（９）式、および（５）と（１０）式
を比較して明らかなことは、互いに次元は異にするもの
の同一のダイナミックスを持つということである。した
がって、図１〜図６において圧力ｐの検出に基づく圧力
フィードバックと全く同様の構成を力ｆの検出に基づく
フィードバックの場合にも採れることがわかる。このフ
ィードバックは荷重フィードバックと呼ぶことができ、
実施例１〜３で述べた圧力フィードバックと併せて、加
圧力フィードバックと称することにする。

【００５０】さて、上述の荷重フィードバックは、図１
〜図６の圧力フィードバックにおいて、圧力計測手段で
内圧ｐを測定する部位を荷重計測手段による力ｆの検出
に代えれば実現できる。荷重計測手段としては、歪ゲー
ジなどからなるロードセルが使用でき、その実装例は図
７に示す。同図は能動的支持脚２ａ〜ｄの内部構造の一
例であり、２０Ｖ（Ｈ）は鉛直（水平）方向の空気ば
ね、２１Ｖ（Ｈ）は鉛直（水平）方向の振動計測手段と
しての加速度センサ、２２Ｖ（Ｈ）は鉛直（水平）方向
の位置計測手段としての位置センサ、２３Ｖ（Ｈ）は空
気ばね２０Ｖ（Ｈ）への動作流体の出入りを制御する鉛
直（水平）方向の電気空圧アナログ弁（例えば、サーボ
弁、電気空圧比例弁、電気空圧レギュレータ）、２４は
積層ゴム、２５は水平方向の予圧ばね、２６はケーシン
グである。鉛直方向の空気ばね２０Ｖが発生する力は、
それと構造体２７の間に挿入した荷重センサ２８Ｖによ
って、同様に水平方向の空気ばね２０Ｈが発生する力は
荷重センサ２８Ｈによって計測される。

【００５１】実施例５ 図８は本発明の第５の実施例に係る能動的除振装置の構
成を示す。図中、図１１の従来例と共通または対応する
部位については同一の符号を付して示す。図８におい
て、８２_x ，８２_y はステージ反力フィードフォワード
補償器を、８５_x，８５_y は床振動フィードフォワード
補償器を示す。両補償器の出力は、運動モード分配手段
９の前段であって、Ｘ方向に働かせるときにはＸ並進運
動を示すｄ_x への入力となるように、Ｙ方向に働かせる
ときにはＹ並進運動を示すｄ_y への入力となるように加
算されている。ここでは上述の実施例１〜４に示す能動
的除振装置にステージ反力フィードフォワード補償器お
よび床振動フィードフォワード補償器を付加する場合、
両補償器を如何にして最適に設定するかを示す。

【００５２】さて、理論的背景を示すために、１軸型の
能動的除振装置を対象にして、ステージ反力フィードフ
ォワードと床振動フィードフォワードの各補償器がどの
ように組み込まれていたかを説明しよう。図１３は従来
技術に係るフィードバック、ステージ反力フィードフォ
ワードおよび床振動フィードフォワードの制御ブロック
図である。制御対象の運動方程式は図示に記号を使って
以下のようにおいている。

【００５３】

【数１１】 ここで、Ｍは除振台の質量［ｋｇ］、Ｃは粘性摩擦係数
［Ｎ・ｓ／ｍ］、Κはばね定数［Ｎ／ｍ］、ｆ_dis は外
乱［Ｎ］、ｘは除振台の変位［ｍ］、ｘ₀ は床振動の変
位［ｍ］である。ここで、空気ばねアクチュエータの操
作量ｕ_f の次元は、加圧力フィードバックループが圧力
計測手段の計測値に基づいてなされるとき［Ｐａ］であ
り、同フィードバックループが荷重計測手段の計測値に
基づいてなされるとき［Ｎ］である。図１３と後の説明
に用いる図９の制御ブロック図では、後者の次元を有す
るｕ_f の記載になっている。

【００５４】さて、図１３に戻って、電圧電流変換器８
の入力ｗから操作量ｕ_f までの伝達関数を次式のように
表現している。

【００５５】

【数１２】 但し、一般的にＴ_svは十分大きく、（１２）式は次式の
如く積分器として近似的に表規することも可能である。

【００５６】

【数１３】 まず、従来の制御系では、ｋ_s ［Ｖ・ｓ² ／ｍ］による
加速度フィードバックループによってダンビングが付与
され、ｋ_pos ［Ｖ／ｍ］と位置の補償器 (ＰＩ補償器)
１２による位置フィードバックループによって指定した
位置への位置決めがなされている。このような閉ループ
系に対して有効に機能する床振動フィードフォワードの
補償器８５の伝達関数は次式のようであった。

【００５７】

【数１４】 つまり、

【００５８】

【数１５】 というＰＩ補償器の形である。但し、Ｔ_ff＝Ｃ／Ｋと設
定する。より簡易なＧ_ff（ｓ）の実現としては、次式の
ように積分器としても構わなかった。

【００５９】

【数１６】 この場合は、（１４）式においてばね定数Κを残して粘
性摩擦係数Ｃを無視しているのである。

【００６０】一方、ステージ反力フィードフォワード
は、ＸＹステージ１３を駆動する不図示の信号をステー
ジ駆動信号入力端子８１に導き、これをステージ反力フ
ィードフォワード補償器８２の伝達関数Ｇ_sff(ｓ）を介
して電圧電流変換器８の前段にフィードフォワードする
技術であり、Ｇ_sff(ｓ）は次式の形にする必要があっ
た。

【００６１】

【数１７】 ここで、Ｔ_sff は微分時定数［ｓ］であり、ｋ_sff はス
テージ反力フィードフォワードゲイン［−］であり、
（１７）式はいわゆる疑似微分の形となっている。

【００６２】本実施例では、除振台に対するフィードバ
ックループとして加速度と位置に加えて圧力計測手段あ
るいは荷重計測手段の計測値に基づく加圧力フィードバ
ックループを備えた能動的除振装置を対象にして、最適
な床振動フィードフォワードおよびステージ反力フィー
ドフォワードの実現を図る。より具体的に、圧力または
荷重計測に基づく加圧力フィードバックループを新たに
付加した場合、空気ばねアクチュエータへの駆動指令電
圧からそれが実際に発生する圧力（力）までの応答が１
次遅れ系となるので、この特性を踏まえて床振動フィー
ドフォワード補償器およびステージ反力フィードフォワ
ード補償器の伝達関数の形を一意に規定している。以
下、より詳細に両フィードフォワード補償器の形を求め
ていく。

【００６３】図９は、図８の装置の１軸分に相当するフ
ィードバック、ステージ反力フィードフォワードおよび
床振動フィードフォワードの制御ブロック図を示す。図
９中の破線内の系、すなわち加圧力フィードバック系の
伝達関数を考える。新たな指令電圧ｖ_p から操作量ｕ_f
までの伝達関数は次式と表現できる。但し、Ｔ_pv＝Ｔ_sv
と選ぶ。

【００６４】

【数１８】 すなわち、ｖ_p からｕ_f までの特性は１次遅れ系とな
る。上式はｗからｕ_f までの伝達関数を（１２）式のよ
うに１次遅れ系とおいた場合である。一方、（１３）式
のように積分器と考えた場合、ＰＩ補償器１８を挿入す
る必要はなく、単純に圧力ゲインｐ_g でフィードバック
すれば定常偏差零が実現できる。その場合には、

【００６５】

【数１９】 である。つまり、ｗからｕ_f までの特性を（１２）式の
ような１次遅れ系とみなそうと、あるいは（１３）式の
ような積分器とみなそうと、何れの場合についても加圧
力フィードバックを施した系は（１８ａ）式あるいは
（１９ａ）式に示す如く１次遅れ系となる。したがっ
て、加圧力フィードバックループが１次遅れ系である特
性を踏まえて、床振動フィードフォワード補償器８５の
伝達関数Ｇ_ff（ｓ）を規定せねばならず次式のようにな
る。

【００６６】

【数２０】 すなわち、次式のごとくＰＩ補償器を２段カスケード接
続した形になる。

【００６７】

【数２１】 但し、Ｔ₁ ＝Ｃ／Κ、Ｔ₂ ＝Ｔ_sv’である。また、（２
０）式におけるΚ＋Ｃｓの中で粘性項を無視すると、よ
り簡易な床振動フィードフォワード補償器の実現として
次式が得られる。

【００６８】

【数２２】 すなわち、次式のように積分器とＰＩ補償器のカスケー
ド接続でも有意な床振動フィードフォワードが実現でき
る。

【００６９】

【数２３】 上記と同様な手順によって、ステージ反力フィードフォ
ワード補償器８２の伝達関数Ｇ_sff(ｓ）を求めると次式
が得られる。

【００７０】

【数２４】 すなわち、伝達関数は位相進み補償器の形であり、Ｔ
_ff3 は高周波域に折点を持つように適切に定められる。

【００７１】なお、図９の中で、１６は（２５）式の形
のＰＩ補償器である。図中の破線内の特性は１次遅れ系
なので、この系にｋ_a のフィードバックを施してもダン
ピングとしては機能しない。そこで、ＰＩ補償器１６を
１次遅れ系の前に挿入することによって積分器を復活さ
せ、 ｋ_a を介した信号をＰＩ補償器１６の前段にフィー
ドバックすることによってダンピング機能を満たすよう
にしているのである。

【００７２】

【数２５】 さらに、ＰＩ補償器１６が積分器を持つことに応じて、
位置の補償器１２はＰＩ補償器に代えてゲインｋ_ppとし
ている。補償器１６が積分器を持つので位置に関する定
常偏差零は保証されるのである。

【００７３】さて、以上の背景を踏まえ再び図８を参照
しよう。同図において、５ａ〜ｄは空気ばねアクチュエ
ータ４ａ〜ｄの内圧を測定する圧力計測手段、１４ａ〜
ｄは圧力補償器、１５は圧力補償器１４ａ〜ｄへのもう
一つの入力であって各空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄ
の基準となる内圧と等価な電圧を設定する圧力目標電圧
入力端子である。圧力計測手段５ａ〜ｄとしては、拡散
半導体歪ゲージ式、金属歪ゲージ式、力平衡式、差動キ
ャパシタンス式、ブルドン管式、ベローズ式などのセン
サが使用できる。なお、圧力計測手段５ａ〜ｄに代えて
空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄが発生する駆動力を計
測する荷重計測手段を備え上述のフィードバックループ
を備えていても構わない。以下、加圧力フィ一ドバック
の中の圧力フィードバックの場合で説明を行なう。

【００７４】図示のように、圧力補償器１４ａ〜ｄの出
力信号は不図示のサーボバルブを駆動する電圧電流変換
器８ａ〜ｄの前段に負帰還されている。そして、図９を
使って説明したように、圧力補償器１４（１４ａ〜ｄ）
の出力を負帰還したその前段には、新たにＰＩ補償器１
６（１６_x ，１６_y ，１６_z ）を挿入する。 ここでは、
運動モード分配手段９の前段であって、かつステージ反
力フィードフォワード補償器８２_x ，８２_y と床振動フ
ィードフォワード補償器８５_x ，８５_y の出力の加算点
の前段に挿入している。すでに説明したように、加圧力
フィードバックによって各軸への駆動指令ｄ_a ，ｄ_b ，
ｄ_c ，ｄ_d から空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｄの内圧
までの特性が１次遅れ系となる。図８の構成では、運動
モード別の駆動信号ｄ_x ，ｄ_y ，ｄθ_z から各軸の空気
ばねアクチュエータ４ａ〜ｄの内圧までの特性が１次遅
れ特性となっている。 そこで、 ＰＩ補償器１６_x ，１６
_y，１６_z の各零点はこれら１次遅れの極を相殺するよ
うに設定される。このようにすると、加速度に関する運
動モード抽出手段７Ａの出力をゲイン補償器１７_x，１
７_y ，１７_z を介して運動モード分配手段９の前段にフ
ィードバックした操作量は純粋にダンピングとしての機
能を持つに至る。一方、ＰＩ補償器１６_x ，１６_y ，１
６_z の部位が単純にゲイン要素である場合、加圧力フィ
ードバックを施した系が１次遅れ特性となり、加速度に
関する運動モード抽出手段７Ａの出力をゲイン補償器１
７_x ，１７_y ，１７_z を介してフィードバックした操作
量は純粋なダンピングとして機能しない。勿論、ダンピ
ングを掛けたい周波数域に対して加圧力フィードバック
を施した結果としての１次遅れ系が十分低い周波数に折
点周波数を持つ場合には、１６_x ，１６_y ，１６_z をＰ
Ｉ補償器にせねばならない絶対的な必要性はなく、これ
らを単純なゲイン補償器としておいても構わない。

【００７５】上述したような運動モード別の非干渉化フ
ィードバック装置において、ステージ反力フィードフォ
ワード補償器８２_x ，８２_y は運動モード分配手段９の
前段に加算されており、ＸＹステージ１３がＸ軸方向に
駆動されたときの不図示の信号をステージ駆動信号入力
端子８１_x に導き、同様にＸＹステージ１３がＹ軸方向
に駆動されたときの信号はステージ駆動信号入力端子８
１_y へと導いている。ここで、ステージ反力フィードフ
ォワード補償器８２_x ，８２_y の伝達関数は位相進み補
償器の形であり、この零点は加圧力フィードバック系の
伝達関数の１次遅れ系としての遅れ時定数をキャンセル
するように設定される。また、位相進み補償器の極は高
周波域に折れ点を持つように適切に定められる。

【００７６】また、床振動フィードフォワードは、床の
振動をホルダ８３_x ，８３_y に保持した床振動検出手段
８４_x ，８４_y によって検出し、その信号を床振動フィ
ードフォワード補償器８５_x ，８５_y を介して運動モー
ド分配手段９の前段であって、それぞれＸおよびＹ方向
の運動モード駆動信号ｄ_x ，ｄ_y が伝達される部位に、
すなわち加圧力フィードバックループの前段に印加され
る。

【００７７】なお、運動モード抽出手段７Ｐの後段に挿
入されている位置の補償器としてのＰＩ補償器１２_x ，
１２_y ，１２θ_z に代えてこれを単純なゲイン補償器と
しても位置に関する定常偏差零は保証される。この理由
は既に説明したように、ＰＩ補償器１６_x ，１６_y ，１
６_z が積分器を持つからである。

【００７８】図８では運動モード別の従来の非干渉化フ
ィードバック装置の中に加圧力フィードバックループが
各軸独立に組み込まれており、同フィードバックを導入
したことによってＰＩ補償器１６（１６_x ，１６_y ，１
６_z ）が設けられ、そして同補償器が積分器を持つので
位置の補償器１２（１２_x ，１２_y ，１２θ_z ）はゲイ
ン補償器でもよいことになった。このような制御構造を
踏まえて、ステージ反力フィードフォワード補償器８２
（８２_x ，８２_y ）と床振動フィードフォワード補償器
８５（８５_x ，８５_y ）の各出力を加算する部位の一例
が示されている。しかし、非干渉化フィードバック装置
とそれに組み込む加圧力フィードバツクループとからな
る制御構造の変形は幾つも考えられ、従って両フィード
フォワード補償器の出力の加算形式も幾つかの種類があ
る。そこで、本実施例の本質をより単純な制御構造の図
１０を使って再度説明する。同図において、４は空気ば
ねアクチュエータであり、８６はサーボバルブ (図８で
は８６を４に含めていた）、２５は機械ばね、２６は粘
性要素を示す。さて、図１０では空気ばねアクチュエー
タ４の内圧が圧力計測手段５によって計測され、その出
力は圧力補償器 (ゲイン補償器) １４を介して、サーボ
バルブ８６を駆動する電圧電流変換器８に前置したＰＩ
補償器１８の前段にフィードバックされて、加圧力フイ
ードバックループを構成している。除振台１の振動は振
動計測手段３によって検出され、ゲイン補償器１７を介
してＰＩ補償器１６の前段にフィードバックされてい
る。ＰＩ補償器１６の零点はｖ_p からｕ_f までの特性が
１次遅れ系になることに鑑み、その遅れ時定数を相殺す
るように設定される。除振台１の変位は位置計測手段６
によって検出されて、偏差増幅器１０を経て、位置の補
償器であるＰＩないしはＰ補償器１２に導かれる。この
ような閉ループ系に対して、床振動検出手段２２の出力
を床振動フィードフォワード補償器８５を介した信号が
加圧力フィードバックループに対して注入される。同様
に、ステージ駆動信号入力端子８１に導かれた信号は、
ステージ反力フィードフォワード補償器８２を介して加
圧力フィードバックループに対して注入されるのであ
る。

【００７９】本実施例によれば以下の効果がもたらされ
る。 （１） 本実施例では、圧力ないし荷重計測に基づくフ
ィードバックである所謂加圧力フィードバックループを
ステージ反力フィードフォワードと床振動フィードフォ
ワードを有する従来の能動的除振装置へ導入したという
特殊性を考慮して最適なステージ反力フィードフォワー
ドと床振動フィードフォワードとを実現した。 （２） したがって、ＸＹステージがステップアンドリ
ピートあるいはステップアンドスキャンしたとき、不必
要なあるいはアンバランスな力を構造体に作用させるこ
とがなく、したがってその変形を招かないという加圧力
フィードバックループ採用の利益を享受した上で、ＸＹ
ステージなどの搭載機器の駆動に原因した除振台の揺れ
を効果的に抑制できる。その結果として同ステージの位
置決め整定性を短縮できる。併せて、床の振動の除振台
への伝播を抑制できる結果として除振台上の搭載機器で
あるところの例えばＸＹステージの位置決め精度を向上
させることができる。 （３） すなわち、生産性向上に寄与するところ大とい
う効果がある。

【００８０】

【発明の適用範囲】なお、上述の実施例では図１、図５
および図８を参照して水平方向の除振・制振を対象に、
しかも４台の能動的支持脚で除振台を支える構成に対し
て具体的説明を行なった。もちろん、鉛直方向の除振装
置に対する本願内容の適用は妨げられないし、使用する
能動的支持脚の台数に制約を設けるものでもない。ま
た、図中、制御装置はアナログ回路で実現しているが、
一部もしくは全部をディジタル演算装置に置き換えて実
現することも本発明の範囲に属する。さらに、本発明で
は、空気ばねアクチュエータだけが推力を発生するアク
チュエータであったが、電磁モータの代表であるリニア
モータやボイスコイルモータを、あるいは変位発生型ア
クチュエータの代表である圧電素子や電歪素子を空気ば
ねアクチュエータと併用したハイブリッドの能動的除振
装置への適用も妨げられない。

【００８１】

【発明の効果】本発明によれば以下の効果がもたらされ
る。 （１） 除振台を含めた構造体を支持するための空気ば
ねの内圧あるいは空気ばねによって印加される力を制御
の管理下においているので、構造体に印加される外乱に
対して指定した圧力あるいは指定した力を保持しようと
作用する。 （２） したがって、ＸＹステージがステップアンドリ
ピートあるいはステップアンドスキャンしたとき、不必
要なあるいはアンバランスな力を構造体に作用させるこ
とがなく、したがってその変形を招かない、という利点
がある。 （３） 構造体の変形を生じさせないのでそこに搭載す
る計測機器の計測値を狂わすこともない。 （４） すなわち、位置決め精度が良好に保たれる結果
として、半導体ウエハに対する露光も良好になされて生
産性も向上する、という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例に係る能動的除振装置
の構成図である。

【図２】 図１の装置の１軸分に相当する圧力フィード
バック付きの１軸形能動的除振装置の構成図である。

【図３】 図１の装置の制御ブロック図である。

【図４】 図１の装置の変形例を示す圧力制御のブロッ
ク図である。

【図５】 本発明の第２の実施例に係る能動的除振装置
の構成図である。

【図６】 本発明の第３の実施例に係る１軸形能動的除
振装置のブロック図である。

【図７】 本発明の第４の実施例に係る荷重計測手段の
実装例である。

【図８】 本発明の第５の実施例に係る能動的除振装置
の構成図である。

【図９】 図８の装置の１軸分に相当するフィードバッ
ク、ステージ反力フィードフォワードおよび床振動フィ
ードフォワードの制御ブロック図である。

【図１０】 図８の装置の１軸分に相当する圧力フィー
ドバック付きの１軸形能動的除振装置の構成図である。

【図１１】 従来技術の能動的除振装置である。

【図１２】 アクチュエータの配置と駆動軸方向であ
る。

【図１３】 従来のフィードバック、ステージ反力フィ
ードフォワードおよび床振動フィードフォワードの制御
ブロック図である。

【符号の説明】

１：除振台、２，２ａ〜ｄ：能動的支持脚、３ａ〜ｄ：
振動計測手段、４，４ａ〜ｄ：空気ばねアクチュエー
タ、５ａ〜ｄ：圧力計測手段、６ａ〜ｄ：位置計測手
段、７Ａ：加速度に関する運動モード抽出手段、７Ｐ：
変位に関する運動モード抽出手段、８，８ａ〜ｄ：電圧
電流変換器、９：運動モード分配手段、１０，１０ａ〜
ｄ：偏差増幅器、１１：位置目標電圧入力端子、１２，
１２_x ，１２_y ，１２θ_z ：ＰＩ補償器、１３：ＸＹス
テージ、１４ａ〜ｄ：圧力補償器、１５：圧力目標電圧
入力端子、１６，１６ａ〜ｄ，１６_x ，１６_y ，１６
_z ：ＰＩ補償器、１７_x ，１７_y ，１７_z 、：ゲイン補
償器、１８：ゲイン補償器、１９：前置圧力補償器、２
０Ｖ（Ｈ）：（水平）方向の空気ばね、２１Ｖ（Ｈ）：
鉛直（水平）方向の振動計測手段としての加速度セン
サ、２２Ｖ（Ｈ）：鉛直（水平）方向の位置計測手段と
しての位置センサ、 ２３Ｖ（Ｈ）：鉛直（水平）方向
の電気空圧アナログ弁、２４：積層ゴム、２５：水平方
向の予圧ばね、２６：ケーシング、２７：構造体、２８
Ｖ（Ｈ）：鉛直（水平）方向の荷重センサ２８Ｖ、８
１，８１_x ，８１_y ：ステージ駆動信号入力端子、８
２，８２_x ，８２_y ：ステージ反力フィードフォワード
補償器、８３_x ，８３_y：ホルダ、８４_x ，８４_y ：床
振動検出手段、８５，８５_x ，８５_y ：床振動フィード
フォワード補償器、８６：サーボバルブ、８７：機械ば
ね、８８：粘性要素、Ｚ_a ，Ｚ_b ，Ｚ_c ，Ｚ_d ：位置検
出手段６ａ〜ｄの電気出力、ｅ_a ，ｅ_b ，ｅ_c ，ｅ_d ：
位置偏差信号、Ａ_a ，Ａ_b ，Ａ_c ，Ａ_d ：加速度センサ
などの振動検出手段３ａ〜ｄの電気出力、Ｓ_x ，Ｓ_y ，
Ｓθ_z ：運動モード偏差信号、ａ_x，ａ_y ，ａθ_z ：運
動モード加速度信号、ｄ_x ，ｄ_y ，ｄθ_z ：運動モード
別の駆動信号、ｄ _a，ｄ_b ，ｄ_c ，ｄ_d ：駆動モード分
配手段９の出力。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気ばねアクチュエータと、振動計測手
   段と、位置計測手段と、前記空気ばねアクチュエータの
   加圧力を計測する加圧力計測手段とを備えた能動的支持
   脚を複数台使用して精密機器を搭載する除振台を制御す
   る能動的除振装置であって、前記加圧力計測手段の出力
   に基づいて前記空気ばねアクチュエータの加圧力を制御
   する加圧力フィードバックループと、前記振動計測手段
   の出力に基づいて前記除振台にダンピングを付与する加
   速度フィードバックループと、前記位置計測手段の出力
   に基づいて指定された平衡位置に定常偏差なく前記除振
   台を位置決めする位置フィードバックループとを備えた
   ことを特徴とする能動的除振装置。
2. 【請求項２】 前記加速度フィードバックループと前記
   位置フィードバックループは共に前記除振台の運動モー
   ドに基づいた非干渉化制御系であり、前記加圧力フィー
   ドバックループは前記空気ばねアクチュエータの個数ご
   と独立に備えら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。
3. 【請求項３】 前記加圧力計測手段は前記空気ばねアク
   チュエータの内圧を計測する圧力計測手段であり、前記
   加圧力フィードバックループは前記空気ばねアクチュエ
   ータの内圧を前記圧力計測手段によって検出してそれを
   適切なゲインを有する圧力補償器を介して前記空気ばね
   アクチュエータを駆動する電圧電流変換器の前段に負帰
   還する圧力フィードバック系であり、前記圧力フィード
   バック系の１次遅れの極をキャンセルする零点を持つＰ
   Ｉ補償器を前記圧力フィードバック系の前段に備えてい
   ることを特徴とする請求項１または２記載の能動的除振
   装置。
4. 【請求項４】 前記加圧力計測手段は前記空気ばねアク
   チュエータの荷重を計測する荷重計測手段であり、前記
   加圧力フィードバックループは前記空気ばねアクチュエ
   ータの駆動力を荷重計測手段によって検出してそれを適
   切なゲインを有する圧力補償器を介して前記空気ばねア
   クチュエータを駆動する電圧電流変換器の前段に負帰還
   する荷重フィードバック系であり、前記荷重フィードバ
   ック系の１次遅れの極をキャンセルする零点を持つＰＩ
   補償器を前記荷重フィードバック系の前段に備えている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の能動的除振装
   置。
5. 【請求項５】 前記加圧力計測手段は前記空気ばねアク
   チュエータの内圧を計測する圧力計測手段であり、前記
   加圧力フィードバックループは、前記空気ばねアクチュ
   エータの内圧を前記圧力計測手段によって検出しその圧
   力計測信号を適切なゲインを有する圧力補償器を通した
   後指令電圧と比較して得られる偏差信号を前置圧力補償
   器としてのＰＩ補償器を介して前記空気ばねアクチュエ
   ータを駆動する電圧電流変換器へ入力する圧力フィード
   バック系であり、前記前置圧力補償器としてのＰＩ補償
   器の零点は、前記電圧電流変換器から前記空気ばねアク
   チュエータの内圧までの１次遅れの周波数特性としての
   極を相殺するように設定されていることを特徴とする請
   求項１または２記載の能動的除振装置。
6. 【請求項６】 前記加圧力計測手段は前記空気ばねアク
   チュエータの荷重を計測する荷重計測手段であり、前記
   加圧力フィードバックループは、前記空気ばねアクチュ
   エータの駆動力を前記荷重計測手段によって検出しその
   荷重計測信号を適切なゲインを有する駆動力補償器を通
   した後指令電圧と比較して得られる偏差信号を前置駆動
   力補償器としてのＰＩ補償器を介して前記空気ばねアク
   チュエータを駆動する電圧電流変換器へ入力する荷重フ
   ィードバック系であり、前記前置駆動力補償器としての
   ＰＩ補償器の零点は、前記電圧電流変換器から前記空気
   ばねアクチュエータの駆動力までの１次遅れの周波数特
   性としての極を相殺するように設定されていることを特
   徴とする請求項１または２記載の能動的除振装置。
7. 【請求項７】 前記加圧力フィードバックループと他の
   フィードバックループと結合点の前段に前記ＰＩ補償器
   を備える場合、前記位置フィードバックループに対する
   位置偏差補償器がＰＩ補償器またはゲイン補償器である
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の能動
   的除振装置。
8. 【請求項８】 前記除振台が設置された床の振動を計測
   する床振動計測手段と、前記床振動計測手段の出力を信
   号処理する床振動フィードフォワード補償器と、前記精
   密機器の駆動信号を適切に信号処理するステージ反力フ
   ィードフォワード補償器とをさらに備え、前記床振動フ
   ィードフォワード補償器と前記ステージ反力フィードフ
   ォワード補償器の出力が前記加圧力フィードバックルー
   プの前段に印加されていることを特徴とする請求項１〜
   ７のいずれかに記載の能動的除振装置。
9. 【請求項９】 前記床振動フィードフォワード補償器は
   ＰＩ補償器の２段カスケード接続であり、その零点の一
   つは前記加圧力フィードバックループの１次遅れ系とし
   ての極を相殺し、もう一つの零点は除振台の粘性摩擦係
   数をＣ、ばね定数をΚとおいて−Ｋ／Ｃに設定すること
   を特徴とする請求項８記載の能動的除振装置。
10. 【請求項１０】 前記床振動フィードフォワード補償器
    は積分器とＰＩ補償器のカスケード接続であり、前記Ｐ
    Ｉ補償器の零点は前記加圧力フィードバックループの１
    次遅れ系としての極を相殺するように設定することを特
    徴とする請求項８記載の能動的除振装置。
11. 【請求項１１】 前記ステージ反力フィードフォワード
    補償器は、位相進み補償器であり、前記位相進み補償器
    の零点は前記加圧力フィードバックループの１次遅れ系
    としての極を相殺するように設定され、前記位相進み補
    償器の極は高周波域に折点を持つように適切に定められ
    ていることを特徴とする請求項８記載の能動的除振装
    置。