KR20030022856A - 자기부상장치를 사용한 진동제거장치 - Google Patents

자기부상장치를 사용한 진동제거장치 Download PDF

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KR20030022856A
KR20030022856A KR10-2003-7000382A KR20037000382A KR20030022856A KR 20030022856 A KR20030022856 A KR 20030022856A KR 20037000382 A KR20037000382 A KR 20037000382A KR 20030022856 A KR20030022856 A KR 20030022856A
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와타나베가츠히데
하가다카히데
가네미츠요이치
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가부시키 가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

진동을 꺼리는 장치를 외부의 진동으로부터 확실하게 절연하도록 진동제거대을 안정적으로 지지하기 위하여, 진동제거장치는 진동제거대(10)와, 진동제거대 (10)를 비접촉 지지하고, 또한 제어력을 가하는 자기부상장치(31∼34)와, 기초에 대한 진동제거대(10)의 상대 변위량을 검출하여 변위신호를 출력하는 변위센서 (41∼44)와, 기초의 진동을 검출하였을 때에 가속도신호를 출력하는 가속도센서(61∼63)를 구비한다. 제어기(5)는 변위신호를 자기부상장치(31∼34)에 피드백하여 기초에 대한 진동제거대(10)의 상대위치를 위치 결정하기 위한 제 1 제어루프와, 가속도신호를 보상하여 자기부상장치(31∼34)에 피드포워드하여 기초로부터 진동제거대 (10)에 진동이 전달되는 것을 억제하기 위한 제 2 제어루프를 구비한다.

Description

자기부상장치를 사용한 진동제거장치{VIBRATION ISOLATING DEVICE USING MAGNETIC LEVITATING DEVICE}
반도체 제조장치나 전자현미경 등의 진동을 꺼리는 장치의 높은 정밀도화에 따라 진동을 꺼리는 장치을 탑재하는 테이블과 같은 진동제거대에 진동이 전달되는 것을 방지하는 진동제거장치의 고성능화가 진행되고 있다. 예를 들면 일본국 특개평9-112628호 공보나 미국특허제5793598호 명세서는 정밀기기를 탑재하는 진동제거대를 전자엑츄에이터로 비접촉 지지하여, 설치바닥으로부터의 미진동으로부터 진동제거대를 절연하는 정밀한 자기부상 진동제거장치를 개시하고 있다. 이 자기부상 진동제거장치는 설치바닥과 진동제거대와의 상대변위 및 진동제거대가 움직였을 때의 가속도를 제어부를 거쳐 전자엑츄에이터에 피드백함으로써, 진동제거대와 그곳에 탑재된 장치를 안정되게 비접촉 지지함과 동시에 설치바닥으로부터의 진동도 탑재장치에 전달되지 않도록 진동을 절연하고자 하는 것이다.
도 1은 종래의 자기부상 진동제거장치를 1자유도계로서 나타내었을 때의 개념도이다. 상기 도면에 있어서, 정밀기기 등의 진동을 꺼리는 장치를 탑재한 테이블인 질량(Mass)(1)은 기준위치인 설치바닥(2)에 대하여 자기부상장치(Active Magnetic Bearing)(3)을 거쳐 안정되게, 또한 비접촉으로 지지된다. 질량(1)의 설치바닥(2)에 대한 상대위치의 변위는 변위센서(4)에 의하여 검출되고, 검출된 변위신호는 제어기(5)에 공급된다.
또한 질량(1)에는 설치바닥(2)으로부터의 진동이나 질량계 자체에 의한 진동에 의하여 질량(1)이 진동하였을 때의 가속도를 검출하기 위한 가속도센서(6)가 설치되어 있다. 가속도센서(6)로 검출된 가속도신호도 제어기(5)에 공급되고, 제어기 (5)는 이와 같이 하여 공급된 변위신호 및 가속도신호를 사용하여 제어신호를 작성하고, 이것을 자기부상장치(3)에 인가하여 설치바닥의 진동에 의하여 질량(1)이 진동하는 것을 방지하고, 질량(1)을 설치바닥(2)의 진동으로부터 절연한다.
이와 같이 종래의 자기부상 진동제거장치는 양호한 진동 절연성능을 발휘할 수 있으나, 진동제거장치은 원래부터 불안정 시스템이다. 따라서 안정성을 높이는 것을 목적으로 하여 진동제거대가 움직였을 때의 가속도를 적분한 절대속도성분을 구하고, 이것을 제어기(5)를 거쳐 자기부상장치(3)에 피드백하도록 하고 있다.
그러나 종래의 진동제거장치는
1. 높은 정밀도의 가속도센서를 저주파로 사용하였을 때에는 상기 센서의 주파수 특성이 나쁘기 때문에 진동제거장치을 안정화시키기 곤란하다,
2. 진동제거대에 과대한 외란이 가해졌을 때나, 진동제거대 위에 탑재된 기기의 운동에 의하여 진동제거대에 진동이 생겼을 때에는, 이와 같은 외란이나 진동의 영향으로 진동제거장치의 제어계가 불안정하게 되는 일이 있다,
등의 이유로부터, 진동 절연성능을 유지할 수 없게 되는 경우가 있다는 단점을 가진다.
본 발명은 종래의 진동제거장치가 가지는 상기의 과제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 진동을 꺼리는 장치를 외부의 진동으로부터 확실하게 절연하도록 안정되게 동작하는 진동제거장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 반도체제조장치나 전기현미경 등의 진동을 꺼리는 장치에 대하여 설치바닥 등의 기초로부터의 외부 진동이 전해짐으로써 제품의 수율이나 정밀도의 저하라는 문제가 일어 날 수 있는 설비를 외부 진동으로부터 절연하기 위한 높은 정밀도의 진동제거장치에 관한 것이다. 견해를 바꾸면, 본 발명은 이와 같은 설비를 미진동으로부터 절연하여 높은 정밀도로 위치결정하기 위한 위치결정장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 진동제거장치의 구성을 설명하기 위한 도,
도 2는 본 발명에 관한 진동제거장치의 제 1 실시형태의 구성을 1자유도계에 대하여 개략적으로 나타낸 도,
도 3은 도 2에 나타내는 진동제거장치에 있어서 제어가 어떻게 행하여지는 가를 설명하기 위한 도,
도 4는 본 발명에 관한 진동제거장치의 제 1 실시형태의 구체적 구성을 나타내는 도,
도 5는 도 4에 있어서의 제어기의 구성을 개략적으로 나타내는 도,
도 6은 본 발명에 관한 진동제거장치의 제 2 실시형태의 구성을 1자유도계에 대하여 개략적으로 나타내는 도,
도 7은 도 6에 나타내는 진동제거장치에 있어서 제어가 어떻게 행하여지는 가를 설명하기 위한 도,
도 8의 (a)는 LMS 알고리즘을 설명하기 위한 도, (b)는 Filtered - X LMS 알고리즘을 설명하기 위한 도,
도 9는 본 발명에 관한 진동제거장치의 제 2 실시형태의 구체적 구성을 나타내는 도,
도 10은 도 9에 있어서의 제어기의 구성을 개략적으로 나타내는 도,
도 11은 본 발명에 관한 진동제거장치의 제 3 실시형태를 1자유도계의 형으로 개략적으로 나타내는 도면이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
진동을 꺼리는 장치을 탑재하기 위한 진동제거대와,
상기 진동제거대를 비접촉 지지하고, 또한 제어력을 가하는 전자엑츄에이터와,
기준위치가 되는 기초에 대한 상기 진동제거대의 상대 변위량을 검출하여 변위신호를 출력하는 변위 검출수단과,
상기 기초의 진동을 검출하였을 때에 제 1 가속도신호를 출력하는 제 1 진동검출수단과,
상기 변위신호에 소정의 보상을 실시하여 상기 전자엑츄에이터에 피드백하고, 상기 기준위치에 대한 상기 진동제거대의 상대위치를 위치 결정하기 위한 제 1제어루프와,
상기 제 1 가속도신호를 보상하여 상기 전자엑츄에이터에 피드포워드하고, 상기 기초로부터 상기 진동제거대에 진동이 전달되는 것을 억제하기 위한 제 2 제어 루프를 구비하는 것을 특징으로 하는 진동제거장치를 제공한다.
이 진동제거장치에 있어서는, 상기 진동제거대의 진동을 검출하였을 때에 제 2 가속도신호를 출력하기 위한 제 2 진동검출수단을 더욱 설치할 수 있다. 이에 의하여 상기 제 2 제어루프는 상기 제 1 가속도신호를 오차신호로서, 상기 제 2 가속도신호를 참조신호로서 사용하여 상기 기초의 진동이 상기 진동제거대에 전해지는 것을 방지하도록 동작한다.
상기 제 1 제어루프가 PID 보상기와 위상 진행 ·지연 보상기를 포함하고, 상기 제 2 제어루프가 적응필터를 포함하고, 적응 알고리즘에 의거하여 필터계수를 갱신하여 피드포워드신호를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 전자엑츄에이터는 상기 진동제거대에 고정한 자성체에 자기력을 미침으로써 상기 진동제거대을 비접촉 지지하기 위한 제어력을 인가하도록 동작하나, 이 전자엑츄에이터의 부담을 경감하기 위하여 상기 진동제거대를 다시 탄성지지부재로 지지할 수도 있다. 상기 진동제거대는 상기 진동을 꺼리는 대상물을 지지하는 테이블 또는 스테이지판인 것이 바람직하다.
본 발명의 진동제거장치에 있어서는 진동제거대의 기초에 대한 상대변위는 변위센서에 의하여 검출되고, 제어기는 변위센서로부터 출력되는 변위신호를 사용하여 진동제거대를 소정의 위치에 유지한다. 한편 기초 위에 설치된 가속도센서는기초의 진동을 검출하였을 때에 가속도신호를 출력하고, 제어기는 가속도신호를 사용하여 기초의 진동이 진동제거대에 전해지는 것을 억제한다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 진동제거장치의 실시형태를 상세하게 설명한다. 또한 도 2 내지 도 11에 있어서, 도 1에 나타내는 구성요소와 동일 또는 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 붙이기로 하고, 또 도 3, 도 5, 도 7 및 도 9에 있어서는 동일한 참조부호는 동일 또는 동일한 신호를 나타내는 것으로 한다.
도 2는 본 발명에 관한 진동제거장치의 제 1 실시형태를 1자유도계로서 표시하였을 때의 개념도이다. 상기 도면에 있어서 반도체제조장치나 전기현미경 등의 진동을 꺼리는 장치를 탑재한 테이블을 포함하는 질량(1)은 기준위치인 설치바닥 (2)에 대하여 자기부상장치(3)를 거쳐 안정되고, 또한 비접촉으로 지지된다. 질량 (1)의 설치바닥(기준위치)(2)에 대한 상대위치의 x 방향에 있어서의 변위를 변위센서(4)에 의하여 검출하고, 검출된 변위신호는 제어기(5)에 공급된다. 또한 설치바닥(2)에는 설치바닥(2)이 xg 방향으로 진동하였을 때의 가속도를 검출하기 위한 가속도센서(6)가 설치된다. 가속도센서(6)는 검출한 가속도를 나타내는 가속도신호를 제어기(5)에 공급한다.
제어기(5)는 공급된 변위신호를 처리하여 제 1 제어신호를 작성하고, 이것을 자기부상장치(3)에 피드백하여 자기부상장치(3)의 지지력을 조정하고, 질량(1)을 소정의 위치에 유지한다. 동시에 제어기(5)는 가속도센서(6)로부터의 가속도신호를 사용하여 설치바닥(2)의 진동이 질량(1)에 전해지지 않도록 제 2 제어신호를 자기부상장치(3)에 피드포워드한다. 이에 의하여 질량(1)은 설치바닥(2)의 진동으로부터 절연된다.
또한 자기부상장치(3)는 진동을 꺼리는 장치를 탑재하기 위한 테이블에 고정된 영구자석과 같은 자성체의 주위에 배치된 전자엑츄에이터를 구비하고 있고, 제어기(5)는 제 1 제어신호 및 제 2 제어신호를 전자엑츄에이터에 인가하고 이것에 의하여 발생하는 자기력을 질량(1)의 자성체에 미치게 하여 질량(1)을 비접촉으로 또한 안정되게 지지하는 것이다.
여기서 도 2의 장치는 제어계에 관해서는 도 3의 블록도로 나타내는 바와 같이 다시 그려진다. 따라서 설치바닥(2)의 진동을 질량(1)에 전달하지 않기 위한 조건을 고찰한다. 지금 질량(1)의 기준위치를 r, 변위센서(4)의 노이즈를 v, 질량 (1)의 상대변위를 x, 가속도센서(6)의 출력, 즉 질량(1)이 진동에 의하여 나타내는 절대가속도를 y, 설치바닥(2)의 진동, 즉 외란을 w로 한다. 그렇다면 v, x, r 및 w가 제어기(5)에의 입력이고, 제어기(5)는 v, x, r을 처리하는 제 1 제어기(C1)와, w를 처리하는 제 2 제어기(C2)로 이루어지고, 제어입력(u)을 출력한다. 즉 제 1 제어기(C1)는 변위센서(4)로부터 검출출력을 수취하여 자기부상장치(3)를 제어하고, 질량(1)을 안정적으로 부상시키는 연산을 행함과 동시에, 제 2 제어기(C2)는 가속도센서(6)로부터 검출출력을 수취하여, 자기부상장치(3)를 사용한 진동제거장치의 진동전달율을 향상시키는 연산을 행한다. 이들 제어기에 의한 연산의 결과가 가산되어 제어입력(u)이 된다.
또한 도 3에 있어서, P1은 외란이나 제어력 등의 힘(u)으로부터 질량(1)의 가속도까지의 전달함수(움직임 특성)를, P2는 설치바닥의 가속도로부터 질량의 가속도까지의 전달함수(움직임 특성)를 나타내고 있다.
그래서 설치바닥(2)의 진동이 질량(1)에 전해지지 않도록 하기 위하여 w로부터 y까지의 전달함수의 게인을 최소로 하기 위한 조건을 구한다. 먼저 입력(v)으로부터 출력(y)까지의 경로에 있어서는,
이 성립한다. 여기서 w = 0일 때, x = y 이므로, 수학식 (1)에서 입력(v)으로부터 출력(y)까지의 전달함수는 다음과 같이 구해진다.
한편, 입력(r)으로부터 출력(y)까지의 경로에 대해서는,
이 성립한다. 여기서 w = O일 때, x - y 이므로, 수학식 (3)에서 입력(r)으로부터 출력(y)까지의 전달함수는 다음과 같이 구해진다.
또한 외란(w)으로부터 출력(y)까지의 경로에 관해서는
가 성립한다. 여기서,
이므로, 외란(w)으로부터 출력(y)까지의 전달함수는 다음과 같이 구해진다.
여기서, y/r = -y/v 로 나타내고, 또 y/w는
로 나타낸다. 따라서 전달함수(y/w)는, 전달함수(y/v)가 정해져도 C2에 의하여 변경 가능한 것을 알 수 있다. 또한 C2는 전달함수(y/v, y/r)에 영향을 미치는 일이 없어 C2에 의하여 독립하여 전달함수(y/w)의 특성을 조정할 수 있고, y/r은 y/v에 의하여 결정된다. 따라서 도 2에 나타내는 진동제거장치는 2자유도계로 되어 있음을 알 수 있다.
이상, 도 2 및 도 3을 사용하여 설명한 것을 전제로 하여, 본 발명에 관한 진동제거장치의 제 1 실시형태의 구체적 구성을 나타내면, 도 4와 같다. 반도체제조장치나 전자현미경과 같은 진동을 꺼리는 장치를 상면에 탑재하기 위한 테이블, 스테이지판 등의 진동제거대(10)의 하면의 적절한 곳에 적절한 수(도 4에 있어서는 4개)의 자기부상장치(31, 32, 33, 34)를 설치하고, 이에 의하여 진동제거대(10)를 설치바닥으로부터 비접촉으로 지지한다. 지금 수평이고, 또한 직교하는 2개의 방향을 X 방향 및 Y 방향으로 하고, 수직한 방향을 Z 방향이라 하면, 각각의 자기부상장치 (31∼34)는 진동제거대(10)에 고정된 영구자석과 같은 자성체에 대하여 X, Y, Z의 3개의 방향에서 지지하기 위한 자기력을 미치도록 3쌍의 전자엑츄에이터를 구비하고 있다.
자기부상장치(31∼34)가 진동제거대(10)를 비접촉 지지하는 각 위치에, 진동제거대(10)의 설치바닥에 대한 변위를 검출하기 위한 변위센서(41, 42, 43, 44)가 설치된다. 변위센서(41∼44)의 각각은 그 설치위치에 있어서의 진동제거대(10)의 변위를 검출하고, 검출한 변위의 X 성분, Y 성분 및 Z 성분을 나타내는 변위신호를제어기(5)에 공급한다. 또한 설치바닥의 진동을 검출하기 위하여 설치바닥의 적절한 곳에 적절한 수(도 4에서는 3개)의 가속도센서(61, 62, 63)를 설치한다. 이들 가속도센서(61∼63) 중, 가속도센서(61)는 그 설치위치에 있어서 검출한 가속도의 X 성분, Y 성분 및 Z 성분을 나타내는 가속도신호를 출력하고, 가속도센서(62)는 그 설치위치에 있어서 검출한 가속도의 X 성분과 Y 성분을 나타내는 가속도신호를 출력하고, 가속도센서(63)는 그 설치위치에 있어서 검출한 가속도의 Z 성분을 나타내는 가속도신호를 출력하여 이들 가속도신호를 제어기(5)에 공급한다.
제어기(5)는 변위센서(31∼34) 및 가속도센서(61∼63)로부터 공급된 신호에 의거하여, 각각의 자기부상장치(31∼34)의 전자엑츄에이터를 구동하기 위한 전류의 크기를 변화시키고, 이에 의하여 진동제거대(10)가 무엇인가의 원인으로 진동되는 것을 방지한다.
도 5는 제어기(5)의 개략적인 구성과, 제어기(5)가 변위센서(31∼34) 및 가속도센서(61∼63)로부터 출력되는 신호를 수취하여 자기부상장치(31∼34)를 어떻게 제어하는지를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 있어서, 설치바닥(2)에 설치된 가속도 센서(61)로부터는 검출한 가속도의 X 성분을 나타내는 가속도신호(Vagx1), Y 성분을 나타내는 가속도신호(Vagy1) 및 Z 성분을 나타내는 가속도신호(Vagz1)가 출력된다. 마찬가지로 가속도센서(62)는 검출한 가속도의 X 성분을 나타내는 가속도신호 (Vagx2)와, 검출한 가속도의 Z 성분을 나타내는 가속도신호(Vagz2)를 출력하고, 가속도센서(63)는 검출한 가속도의 Z 성분을 나타내는 가속도신호(Vagz3)를 출력한다. 이들 가속도신호(Vagx1∼Vagz3)는 센서 앰플리파이어에 의하여 증폭된 후에 제어기(5)의 제 1 좌표 변환부(51)에 인가된다.
한편, 변위센서(31)는 그 검출위치에 있어서의 변위의 X 성분, Y 성분, Z 성분을 각각 나타내는 변위신호(Vdx1, Vdy1, Vdz1)를 출력하고, 변위센서(32)는 그 검출위치에 있어서의 변위의 X 성분, Y 성분, Z 성분을 각각 나타내는 변위신호 (Vdx2, Vdy2, Vdz2)를 출력하고, 변위센서(33)는 그 검출위치에 있어서의 변위의 X 성분, Y 성분, Z 성분을 각각 나타내는 변위신호(Vdx3, Vdy3, Vdz3)를 출력하고, 변위센서(34)는 그 검출위치에 있어서의 변위의 X 성분, Y 성분, Z 성분을 각각 나타내는 변위신호(Vdx4, Vdy4, Vdz4)를 출력한다. 이들 변위신호는 센서 앰플리파이어로 증폭된 후에 제어기(5)의 제 2 좌표 변환부(52)에 인가된다.
제 1 좌표 변환부(51)는 가속도센서(61∼63)로부터 수취한 가속도신호(Vagx1∼Vagz3)를 물리좌표계로부터 모드좌표계로 좌표 변환하여 설치바닥의 X, Y, Z 방향의 가속도를 각각 나타내는 신호(y1m1, v1m2, y1m3)와, X, Y, Z 방향을 중심으로하는 회전방향의 가속도를 각각 나타내는 신호(y1m4, y1m5, y1m6)로 이루어지는 모드 가속도신호군을 작성하여 보상기 연산부(53)에 인가한다. 한편 제 2 좌표 변환부 (52)는 변위센서(31∼34)로부터 수취한 변위신호(Vdx1∼Vdz4)에 물리좌표계로부터 모드좌표계로의 좌표변환을 실시하여 설치바닥의 X, Y, Z 방향의 변위를 각각 나타내는 신호(y2m1, y2m2, y2m3)와, X, Y, Z 방향을 중심으로 하는 회전방향의 변위를 각각 나타내는 신호(y2m4, y2m5, V2m6)로 이루어지는 모드변위신호군을 작성하여 보상기 연산부(53)에 인가한다.
이와 같이 제 1 좌표 변환부(51) 및 제 2 좌표 변환부(52)는 물리좌표계에나타내는 양으로부터 자기부상장치를 제어하기 위한 모드좌표계에 나타낸 양으로의 변환을 행하는 것이다. 이와 같은 변환은 실제의 물리좌표계로부터 각 진동모드가 서로 직교하고, 다른 모드와 연결되지 않는 모드좌표계로 변환하기 위한 모드행렬에 의하여 행하여진다.
모드가속도신호군 및 모드변위신호군을 수취하여, 보상기 연산부(53)는 도 3에 있어서의 신호(u)에 상당하는 6개의 신호(fm1, fm2, fm3, fm4, fm5 및 fm6)로 이루어지는 보상신호군을 신호분배 연산부(54)에 공급한다. 이와 같이 제어기(5)는 강체모드를 제어하는 6자유도 제어계이고, 자기부상장치(31∼34)의 전자엑츄에이터는 6자유도의 모드별로 간섭하지 않도록 독립적으로 제어되어 진동제거대(10)의 진동을 억제한다.
신호분배 연산부(54)는 fm1∼fm6으로 이루어지는 보상신호군을 사용하여 자기부상장치(31∼34)의 하나하나의 전자엑츄에이터에 인가해야 할 전류를 결정하고, 이들 전류를 증폭하고 나서 대응의 전자엑츄에이터에 인가한다. 이에 의하여 진동제거대(10) 자체의 진동을 억제할 수 있는 데다가 진동제거대(10)에 설치바닥으로부터 진동이 전해지는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명에 관한 진동제거장치의 제 2 실시형태를 1자유도계로서 나타내었을 때의 개념도이다. 이 제 2 실시형태는 도 2에 나타내는 제 1 실시형태와 비교하면, 다시 가속도센서(7)가 질량(1)에 설치되어 있는 점에서 서로 다르다. 가속도센서(7)는 질량(1)의 절대가속도를 검출하고, 이것을 참조신호로 하여 제어기(5)에 공급하도록 동작한다. 이에 의하여 제어기(5)는 제 1 실시형태에 있어서와 마찬가지로 공급된 변위신호를 처리하여 제 1 제어신호를 작성하고, 이것을 자기부상장치 (3)에 피드백하여 자기부상장치(3)의 지지력을 조정하여 질량(1)을 소정의 위치로 유지한다. 동시에 제어기(5)는 가속도센서(6)로부터의 가속도신호를 오차신호로서, 가속도센서(7)로부터의 가속도신호를 참조신호로서 사용하여 설치바닥(2)의 진동이 질량(1)에 전해지지 않도록 제 2 제어신호를 자기부상장치(3)에 피드포워드한다. 이에 의하여 질량(1)은 설치바닥(2)의 진동으로부터 절연된다.
도 6의 장치는, 제어계에 관해서는 도 7의 블록도로 나타내는 바와 같이 다시 그려진다. 제 1 실시형태와 마찬가지로 제 2 실시형태도 2자유도계로 되어 있고, 또한 절대가속도신호(y)가 제어기(5)에 참조신호로서 입력된다. 그래서 제어기(5)는 이 참조신호를 사용하여 제 2 제어기(C2)의 계수를 적응 알고리즘에 따라 갱신하고, 그 결과를 제어신호로서 자기부상장치(3)에 피드포워드한다.
도 7에 나타내는 제어계에 있어서도, 도 3에 대하여 수학식 (1)∼ 수학식 (8)을 사용하여 설명한 바와 같이, 전달함수(y/w)는 전달함수(y/v)가 결정되어도 C2에 의하여 변경 가능하고, C2는 전달함수(y/v, y/r)에 영향을 미치는 일이 없어 C2에 의하여 독립하여 전달함수(y/w)의 특성을 조정할 수 있고, y/r은 y/v에 의하여 결정된다.
여기서 상기한 적응 알고리즘에 대하여 설명한다. 진동을 제어하는 알고리즘으로서는 LMS 알고리즘의 실용적인 개량방법인 Filtered - X LMS 알고리즘이 사용된다. 도 8의 (a)는, 기초가 되는 LMS 알고리즘의 블록선도를 나타내고 있고,미지계 (未知系)(W)에 대한 입력신호(ak)[양(正), k는 시간]와 오차신호(ek)를 사용하여 적응형 FIR 필터를 가지는 제어계(H)의 필터계수(hk)를 갱신식에 따라 점차 갱신하여, 입력신호(ak)와 제어계(H)의 출력(bk)과의 차이(ek)가 제로가 되도록 적응제어를 행한다. 갱신식은 임의의 스텝 사이즈·파라미터(s)를 사용하여
라는 간결한 형으로 주어진다. 따라서 실시간으로 많은 계산을 필요로 하는 엑티브 진동제어(AVC)에 아주 적합한 알고리즘이다.
상기한 식 중의 스텝 사이즈·파라미터(s)는 1회의 필터계수 갱신의 정도를 나타내는 정수로서, 클 수록 오차의 수속(收束)이 빨라지나, 제어계가 불안정하게 되는 경향이 있다. 최적의 s 값은, 입력신호, 오차신호의 크기, H의 필터길이에 좌우되고, 지금에도 논리적으로 구하는 기술이 없기 때문에 각각의 시스템에 있었던 값을 경험적으로 결정하고 있다.
도 8의 (b)는, Filtered - X LMS 알고리즘에 의한 적응제어의 예를 나타내는 블록도이고, 도 8의 (a)와 비교하면, 경로오차(G)가 추가되어 있다. 실제의 시스템을 모델화할 때, 제어력으로부터 가속도센서까지의 진동특성 및 제어력이나 가속도센서 자신의 특성을 표현하기 위하여 오차경로(G)를 고려하지 않으면 안된다. 그러나 오차경로(G)를 가한 시스템에 LMS 알고리즘을 적용하면, 오차경로(G)와 미지계 (W)와의 직렬 결합 전체가 미지계로 간주되어 버리므로, 입력신호(ak)를 오차경로 (G)와 동일한 특성을 가지는 필터에 통과시키고 나서 LMS 알고리즘에 공급한다. 따라서 제어계(H)의 필터계수 갱신식에 있어서는, 수학식 (9)에 있어서의 ak의 대신에 필터처리된 신호가 사용된다.
도 8의 (a) 및 (b)에 나타내는 적응제어의 경우, 가속도센서(6)로부터의 출력[즉, 설치바닥의 진동(w)]이 입력신호(ak)에 상당하고, 가속도센서(7)로부터의 출력[즉, 질량(1)이 진동에 의하여 나타내는 절대가속도(y)]이 오차신호(ek)에 상당한다.
도 9는 본 발명에 관한 진동제거장치의 제 2 실시형태의 구체적 구성을 나타내고 있다. 이 제 2 실시형태에 있어서는 테이블(10)을 비접촉 지지하는 4개의 자기부상장치(31∼34), 테이블(10)의 상대변위를 검출하는 변위센서(41∼44), 설치바닥에 설치된 가속도센서(61∼63)에 부가하여 테이블(10)에 3개의 가속도센서 (71∼73)가 설치된다. 변위센서(41∼44)로부터의 변위신호 및 가속도센서 (61∼63), 가속도센서(71∼73)로부터의 가속도신호는 제어기(5)에 인가되고, 이들 신호를 수취하여 제어기(5)는 자기부상장치(31∼34)의 자기지지력을 제어한다. 환언하면 설치바닥의 진동을 나타내는 가속도센서(61∼63)로부터의 가속도신호를 참조신호로서 사용하고, 테이블(10)의 진동을 나타내는 가속도센서(71∼73)로부터의 가속도신호를 오차신호로서 사용하여 제어기(5)의 계수를 적응 알고리즘에 따라 갱신하여 자기부상장치(31∼34)를 피드포워드제어한다.
도 10에 나타내는 바와 같이 도 9에 나타내는 진동제거장치에 있어서의 변위센서(41∼44)로부터의 변위신호(Vdx1∼Vdz4), 가속도센서(61∼63)로부터의 가속도신호(VagX1∼Vagz3) 및 71∼73으로부터의 가속도신호(Vsx1∼VaZ3)는 제어기(5)에 의하여 아래와 같이 처리된다. 변위센서(41∼44)로부터의 변위신호(Vdx1∼Vdz4) 및 가속도센서(61∼63)로부터의 가속도신호(Vagx1∼Vagz3)에 대해서는 도 5에 있어서 설명한 바와 같아, 여기서의 설명은 생략한다.
테이블(10)에 설치된 가속도센서(71∼73) 중, 가속도센서(71)는 검출한 가속도의 X 성분을 나타내는 가속도신호(Vax1), Y 성분을 나타내는 가속도신호(Vay1) 및 Z 성분을 나타내는 가속도신호(Vaz1)를 출력한다. 마찬가지로 가속도센서(72)는 검출한 가속도의 X 성분을 나타내는 가속도신호(Vax2)와, 검출한 가속도의 Z 성분을 나타내는 가속도신호(Vaz2)를 출력하고, 가속도센서(73)는 검출한 가속도의 Z 성분을 나타내는 가속도신호(Vaz3)를 출력한다. 이들 가속도신호(Vax1∼Vaz3)도 센서 앰플리파이어에 의하여 증폭된 후에 제어기(5)의 제 1 좌표 변환부(51)에 인가된다.
제 1 좌표 변환부(51)는 설치바닥 위의 가속도센서(61∼63)로부터 수취한 가속도신호(Vagx1∼Vagz3)에 물리적 좌표계로부터 모드좌표계로의 좌표변환을 실시하여 설치바닥의 X, Y, Z 방향의 가속도를 각각 나타내는 신호(y1m1, y1m2, y1m3)와, X, Y, Z 방향을 중심으로 하는 회전방향의 가속도를 각각 나타내는 신호(y1m4, y1m5, y1m6)로 이루어지는 제 1 모드 가속도신호군을 작성하여 보상기 연산부(53)에 인가한다.
또한 제 1 좌표 변환부(51)는 테이블(10) 위의 가속도센서(71∼73)로부터 수취한 가속도신호(Vax1∼Vaz3)에 물리적 좌표계로부터 모드좌표계로의 좌표변환을 실시하여 테이블(10)의 X, Y, Z 방향의 가속도를 각각 나타내는 신호(y3m1, y3m2, y3 m3)와, X, Y, Z 방향을 중심으로 하는 회전방향의 가속도를 각각 나타내는 신호(y3 m4, y3m5, y3m6)로 이루어지는 제 2 모드 가속도신호군을 작성하여 보상기 연산부 (53)에 인가한다.
한편, 제 2 좌표 변환부(52)는 변위센서(31∼34)로부터 수취한 변위신호 (Vdx1∼Vdz4)로 좌표변환을 실시하여 설치바닥의 X, Y, Z 방향의 변위를 각각 나타내는 신호(y2m1, y2m2, y2m3)와, X, Y, Z 방향을 중심으로 하는 회전방향의 변위를 각각 나타내는 신호(y2m4, y2m5, y2m6)로 이루어지는 모드변위신호군을 작성하여 보상기 연산부(53)에 인가한다.
제 1 모드 가속도신호군, 제 2 모드 가속도신호군 및 모드변위신호군을 수취하여 보상기 연산부(53)는 진동제거대(10)에 있어서의 진동을 억제하기 위하여 어느 자기부상장치(31∼34)의 전자엑츄에이터에 어떠한 크기의 전류를 흘려야 할지를 연산하여, 6개의 신호(fm1, fm2, fm3, fm4, fm5 및 fm6)로 이루어지는 보상신호군을 신호분배 연산부(54)에 공급한다. 보상신호군은 도 7에 있어서의 신호(u)에 상당한다. 신호분배 연산부(54)는 fm1∼fm6으로 이루어지는 보상신호군을 사용하여 자기부상장치(31∼34)의 하나하나의 전자엑츄에이터에 인가해야 할 전류를 결정하고, 이들 전류를 증폭하고 나서 대응의 전자엑츄에이터에 인가한다. 이에 의하여 진동제거대(10) 자체의 진동을 억제할 수 있는 데다가 진동제거대(10)에 설치바닥으로부터 진동이 전해지는 것을 방지할 수 있다.
도 11은 본 발명에 관한 진동제거장치의 제 3 실시형태의 구성을 나타내고 있다. 지금까지 설명한 제 1 및 제 2 실시형태에 있어서는, 테이블(10)은 자기부상장치(31∼34)에 의해서만 지지되는 것이었으나, 이 제 3 실시형태에 있어서는 도 1에 나타내는 바와 같이 테이블(10)은 자기부상장치(3)에 더하여 탄성지지부재(8)에 의해서도 지지된다. 탄성지지부재(8)는 예를 들면 코일스프링, 공기스프링, 고무재, 자석을 사용한 자기스프링 등의 스프링요소인 것이 바람직하다. 이와 같이 테이블 (10)을 탄성지지부재(8)에 의해서도 지지함으로써, 자기부상장치(3)의 부담을 경감할 수 있어, 테이블(10)을 한층 더 안정적으로 지지하는 것이 가능하게 된다.
이상, 본 발명에 관한 진동제거장치의 실시형태를 설명한 바로부터 분명한 바와 같이 본 발명은 변위센서의 출력에 의거하여 진동제거대를 아주 안정적으로 지지함과 동시에, 기초의 진동과 같은 외란이 진동제거대에 전달되는 것을 확실하게 억제할 수 있다는 각별한 효과를 나타낸다.
또 진동제거대에도 가속도센서를 설치하고, 기초의 진동을 나타내는 가속도신호에 더하여 진동제거대의 진동을 나타내는 가속도신호도 제어기로 처리하도록 하였기 때문에, 제어기에 의한 자기부상장치에 대한 제어가 한층 높은 정밀도가 되어 고성능의 진동절연을 실현할 수 있다.

Claims (6)

  1. 진동을 꺼리는 장치을 탑재하기 위한 진동제거대와,
    상기 진동제거대를 비접촉 지지하고, 또한 제어력을 가하는 전자엑츄에이터와,
    기준위치가 되는 기초에 대한 상기 진동제거대의 상대 변위량을 검출하여 변위신호를 출력하는 변위 검출수단과,
    상기 기초의 진동을 검출하였을 때에 제 1 가속도신호를 출력하는 제 1 진동검출수단과,
    상기 변위신호에 소정의 보상을 실시하여 상기 전자엑츄에이터에 피드백하여, 상기 기준위치에 대한 상기 진동제거대의 상대위치를 위치 결정하기 위한 제 1 제어루프와,
    상기 제 1 가속도신호를 보상하여 상기 전자엑츄에이터에 피드포워드하고, 상기 기초로부터 상기 진동제거대에 진동이 전달되는 것을 억제하기 위한 제 2 제어루프를 구비하는 것을 특징으로 하는 진동제거장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동제거대의 진동을 검출하였을 때에 제 2 가속도신호를 출력하기 위한 제 2 진동 검출수단을 더욱 구비하고,
    상기 제 2 제어루프가 상기 제 1 가속도신호를 오차신호로서, 상기 제 2 가속도신호를 참조신호로서 사용하여 상기 기초의 진동이 상기 진동제거대에 전해지는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 진동제거장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전자엑츄에이터가 상기 진동제거대에 고정한 자성체에 자기력을 미치게 함으로써 상기 진동제거대를 비접촉 지지하기 위한 제어력을 인가하는 것을 특징으로 하는 진동제거장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 제어루프가 PID 보상기와 위상 진행 ·지연 보상기를 포함하고,
    상기 제 2 제어루프가 적응필터를 포함하여, 적응 알고리즘에 의거하여 필터계수를 갱신하여 피드포워드신호를 형성하는 것을 특징으로 하는 진동제거장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동제거대를 지지하기 위한 탄성지지부재를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 진동제거장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동제거대가 상기 진동을 꺼리는 대상물을 지지하는 테이블 또는 스테이지판인 것을 특징으로 하는 진동제거장치.
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