(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
除振台を支持する支持手段と、前記除振台を駆動するアクチュエータと、前記除振台の振動を検出する振動センサと、設置床に対する前記除振台の相対変位を検出する変位センサと、前記振動センサの出力を補償して前記アクチュエータを駆動する振動制御ループと、前記変位センサの出力を補償して前記アクチュエータを駆動する位置制御ループとを具備するアクティブ除振装置において、
前記振動センサの出力と前記変位センサの出力から演算によって得た前記設置床の変位もしくは速度成分の信号を補償して前記アクチュエータを駆動する第２の振動制御ループを備えたことを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項２】
前記振動センサは加速度センサであり、前記変位センサはレベルセンサであることを特徴とする請求項１記載のアクティブ除振装置。
【請求項３】
前記第２の振動制御ループは、前記設置床の振動によって生じる前記除振台の振動を制御する床振動制御ループであることを特徴とする請求項２記載のアクティブ除振装置。
【請求項４】
前記床振動制御ループは、前記設置床の振動が前記支持手段を介して前記除振台に及ぼす力外乱を打ち消すように前記アクチュエータを駆動することを特徴とする請求項３記載のアクティブ除振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電子顕微鏡、光学機器あるいは半導体製造装置などの精密機器を搭載するアクティブ除振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡、光学機器あるいは半導体製造装置などの精密機器の高精度化に伴い、設置床からこれら機器に伝わる微振動をマイクロＧ（ミリｇａｌ）レベルで絶縁する必要が生じている。機器に伝わる微振動の絶縁を低い周波数から実現するためには、微振動の伝達経路となる除振支持機構のバネ定数および粘性係数をできるだけ小さくすればよい。しかし除振支持機構のバネ定数と機器全体の質量で決まる低周波共振が微振動により励起されて機器全体の揺れが大きくなるので、むやみにバネ定数および粘性係数を小さくできない。そのためバネ定数をできるだけ小さく設定した後、低周波共振ピークが大きくならないようダンパなどにより粘性を付与する。ところがダンパの粘性係数を大きくしていくと、低周波共振ピークは小さくなるが共振後の周波数における微振動の伝達率（床振動伝達率）が大きくなる。また、除振台上の精密機器が駆動する場合にもこの低周波共振は励起されるが、これを小さくするためにはバネ定数および粘性係数はできるだけ大きい方がよい。このように床から伝わる微振動の絶縁（除振）と精密機器の駆動で発生する振動の抑制（制振）のトレードオフを考えて、除振支持機構のバネ定数および粘性係数が決定される。
【０００３】
最近では以上のようなパッシブ除振装置のトレードオフを解消するために、アクティブ除振装置が実用化されている。これは、除振台の振動をセンサで検出してフィードバック回路によりアクチュエータあるいはマスダンパを用いて振動制御を行なう能動式の除振装置であり、電気的に粘性を付与することで共振後の床振動伝達率を大きくしないで共振ピークのみを小さくすることが可能になる。これにより除振性能と制振性能がともに向上する。例えば、特開平１−２１０６３４（「能動制御精密制振台」）は除振台の振動をセンサで検出し、制御弁を介して空気バネ内の空気圧を調整することにより振動制御を行なうもので、空気バネをアクチュエータとした空気圧式アクティブ除振装置である。このようなアクティブ除振装置の制御系は一般に、除振台振動（例えば加速度）を検出し、主に電気的粘性を付加して振動を制御する振動制御ループと、除振台と床の相対変位を検出して除振台のレベル変動を制御する位置制御ループを有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のアクティブ除振装置においては、振動制御ループのゲインを大きくすれば床振動伝達率の共振ピークを完全に潰すことができる。しかし、除振台上の精密機器の駆動に伴う大きな振動がフィードバックされるとアクチュエータ駆動力がすぐに飽和に達してしまい、振動の整定が悪化したり制御系が発振するなどの不具合を生じることがある。そのため精密機器の駆動時にも不具合を生じないよう振動制御ループのゲインを下げるが、このとき床振動伝達率も劣化させてしまう。このように、従来のアクティブ除振装置は、振動制御ループのゲインが除振よりも制振によって決定されてしまい、必ずしも充分な除振性能を発揮させることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、振動制御ループのゲインを抑えたときでも除振性能を向上させることができるアクティブ除振装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明では、除振台を支持する支持手段と、前記除振台を駆動するアクチュエータと、前記除振台の振動を検出する振動センサと、設置床に対する前記除振台の相対変位を検出する変位センサと、前記振動センサの出力を補償して前記アクチュエータを駆動する振動制御ループと、前記変位センサの出力を補償して前記アクチュエータを駆動する位置制御ループとを具備するアクティブ除振装置において、前記振動センサの出力と前記変位センサの出力から演算によって得た前記設置床の変位もしくは速度成分の信号を補償して前記アクチュエータを駆動する第２の振動制御ループを備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の好ましい実施例において、前記振動センサは加速度センサであり、前記変位センサはレベルセンサである。すなわち、前記第２の振動制御ループは、前記設置床の振動によって生じる前記除振台の振動を制御する床振動制御ループである。この床振動制御ループは、前記設置床の振動が前記支持手段を介して前記除振台に及ぼす力外乱を打ち消すように前記アクチュエータを駆動する。
【０００８】
【作用】
従来のアクティブ除振装置においては、精密機器の駆動に伴う大きな振動の抑制と床振動の絶縁とが同一の制御ループによりなされていた。この構成においては床振動の絶縁（除振）効果と本体振動の抑制（制振）効果を共に満足させるには限界があった。
【０００９】
そこで、本発明の後述する実施例では、振動センサの出力をフィードバックする従来からの振動制御ループとは別に、振動センサの出力と設置床に対する除振台の相対変位を検出する変位センサの出力から演算によって得た設置床の変位もしくは速度成分の信号を、フィードバックする第２の振動制御ループを設けている。この第２の振動制御ループは、例えば設置床の振動によって生じる除振台の振動を制御する床振動制御ループであり、その場合、床振動制御ループ内で振動センサの出力と変位センサの出力を演算して床振動成分の検出を行ない、床振動が除振支持機構を伝達して除振台におよぼす力外乱を打ち消すようにアクチュエータを駆動する。これにより、振動制御ループのゲインを抑えたときでも、除振性能の不足分を第２の振動制御ループで補って、除振性能を向上させることができる。また、前述の演算される信号は、例えば床振動などの外部振動であり、その場合には、共振周波数より低い帯域から除振台への外部振動の伝達率を０ｄＢ以下にすることができる。
【００１０】
【実施例１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施例に係るアクティブ除振装置の構成を示す。同図において、ｘは除振台１の絶対変位を表わし、ｘ0 は床振動の絶対変位を表わす。精密機器２は除振台１の上に搭載されている。Ｍは除振台１と精密機器２の質量を表わす。ｆd は精密機器２の駆動によって除振台１に作用する力外乱を表わす。
【００１２】
除振台１は除振支持機構５によって支持され、除振支持機構５はばね定数Ｋのばね３と粘性係数Ｃのダンパ４によって構成される。６はアクチュエータであり、Ａはアクチュエータの動特性を表わす。７は振動センサであり、除振台１の加速度α（＝ｄ2 ｘ／ｄｔ2 ）を検出する。この加速度信号はフィルタ８と振動補償回路９と駆動回路１０を介してアクチュエータ６に伝達され、アクチュエータ６が駆動される。１１は変位センサであり、床と除振台の相対変位（ｘ−ｘ0 ）を検出する。この相対変位信号は位置補償回路１２と駆動回路１０を介してアクチュエータ６に伝達され、アクチュエータ６が駆動される。１３は演算回路であり、振動センサ７の出力と変位センサ１１の出力から床の振動成分（ここではｘ0 ）を検出する。１４は床振動補償回路であり、駆動回路１０を介して除振支持機構５を伝達して除振台に及ぼされる力外乱を打ち消すようにアクチュエータ６を駆動する。
【００１３】
図２は、図１に示したアクティブ除振装置のブロック線図である。ｘ0 は床振動変位、ｆd は精密機器２の駆動で除振台１に作用する力外乱、ｒは目標値（＝０）である。Ｇc は位置補償回路１２の伝達関数、Ｇffは床振動補償回路１４の伝達関数である。
【００１４】
床の振動成分（例えばｘ0 ）は、振動センサ７で検出された加速度αの２階積分と変位センサ１１で検出された相対変位（ｘ−ｘ0 ）の差分により得られる。
【００１５】
以下では本発明により、振動制御ループのゲインを抑えた時でも除振性能を向上させることができることを伝達関数を用いて説明する。
【００１６】
簡単のために、アクチュエータ６の動特性を表わす伝達関数Ａは比例要素とする。またフィルタ８は注目する効果を明確に示すために無視し、振動補償回路９はゲインＫv の積分補償のみとする。
【００１７】
この時、除振台１の絶対変位ｘは次式で表される。
【００１８】
【数１】
0003681072.tif 000002
上式においてＧffは左辺第一項にしか現われないので、Ｇc とＫv が最適設定された後、ｘ0 からｘまでの特性（床振動伝達率ｘ／ｘ0 ）を調整して除振性能の向上を図ることができることがわかる。
【００１９】
ここで、ばね３のばね定数Ｋとダンパ４の粘性係数Ｃおよびアクチュエータ６の動特性Ａを予め測定しておき、Ｇffを以下のように選ぶ。
【００２０】
【数２】
0003681072.tif 000003
つまり除振支持機構５とアクチュエータ６の逆システムを掛けたものを選ぶ。このとき床振動伝達率ｘ／ｘ0 は以下の式で表される。
【００２１】
【数３】
0003681072.tif 000004
すなわち、除振支持機構５を伝達して除振台１におよぼす力外乱（Ｃｓ＋Ｋ）ｘ0 を打ち消すことができる。しかし実用上は完全な微分要素を実現できないので、Ｇffは以下のように時定数Ｔf のローパスフィルタを含む疑似微分要素となる。
【００２２】
【数４】
0003681072.tif 000005
このとき床振動伝達率ｘ／ｘ0 は以下の式で表される。
【００２３】
【数５】
0003681072.tif 000006
上式においても時定数Ｔf を小さくしていけば、除振支持機構５を伝達して除振台１におよぼす力外乱（Ｃｓ＋Ｋ）ｘ0 を打ち消せることがわかる。これにより、床振動伝達率ｘ／ｘ0 を小さくできるので、その分、除振性能が向上する。
【００２４】
図３は数値シミュレーションによって本発明の効果を床振動伝達率ｘ／ｘ0 で示した図で、縦軸はゲイン（ｄＢ）、横軸は固有振動数との比を表わす無次元周波数である。
【００２５】
図中の破線は、床振動制御ループのない従来のアクティブ除振装置の床振動伝達率を示す。振動制御ループと位置制御ループの補償回路は最適設定されているが、精密機器２の駆動時にも発振しないように振動制御ループのゲインは抑さえられているので、０ｄＢを超える共振ピークが残る。一方、図中の実線は床振動制御ループを有する本発明による場合のもので、振動制御ループと位置制御ループの補償回路を最適設定した後、床振動補償回路１４のローパスフィルタ時定数Ｔf を調整したものである。すなわち、床振動制御ループにより共振周波数前後の広い帯域で床振動伝達率ｘ／ｘ0 が小さくなり、除振性能を向上させることができる。
【００２６】
以上説明したように本実施例では、アクティブ除振装置において振動制御ループとは別に設けた床振動制御ループにより床振動成分の検出を行ない、床振動が除振支持機構を伝達して除振台におよぼす力外乱を打ち消すようにアクチュエータを駆動する。これによって、従来方式において、振動制御ループのゲインが抑さえられている場合でも除振性能を向上させることが可能となる。また本実施例によれば、共振周波数より低い帯域から床振動伝達率を０ｄＢ以下にすることができる。これは従来方式の制御ループ構成ではいかなる調整を行なっても達成不可能な性能で、本実施例の方式によって大幅に除振性能を向上させることが可能となる。しかも、加速度センサや変位センサを新たに必要としないので経済的に実施できる。
【００２７】
【実施例２】
実施例１においては垂直方向の制振および除振を行なう例を示したが、本発明は垂直方向に限らず、水平方向の制振および除振についても同様に実施可能である。すなわち除振台１を除振支持し、アクチュエータ６を水平方向に設置し、振動センサ７と変位センサ１１もそれぞれ水平方向成分を検出するよう設置すればよい。
【００２８】
【実施例３】
アクティブ除振装置においては、ダンパ４の粘性係数Ｃはできるだけ小さく設定して、振動制御ループによって電気的に粘性を与える。このためダンパ４を伝達する床振動は元々小さい。よって、ばね３を伝達する床振動による力外乱のみを打ち消すようにしても十分に性能の改善が図れる。すなわち実施例１におけるＧffを以下のように選んでもよい。
【００２９】
【数６】
0003681072.tif 000007
ここでＫffはゲインを表わす。Ｋffを０から１にしていけば、ばね３を伝達して除振台１におよぼす力外乱Ｋｘ0 を打ち消していくことができる。またこの場合Ｇffは比例要素となり実現もより容易になる。
【００３０】
【実施例４】
上記実施例ではアクチュエータ６の動特性を表わす伝達関数Ａとして、電磁モータ、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）などの比例要素（ゲイン）を考えたが、本発明は別の特性を持つアクチュエータでも実施可能である。例えば、空気ばね、油圧、空気圧シリンダ等ではアクチュエータ６の動特性を表わす伝達関数Ａを積分要素で置き換えればよい。
【００３１】
次にＡが積分要素となる場合について伝達関数を用いて説明する。定数や変数の定義は上記実施例と同様であるが、Ａは以下のようにゲインＫt の積分要素で置き換える。
【００３２】
【数７】
0003681072.tif 000008
また、振動補償回路９は積分補償器ではなく、ゲインＫv のみとする。
【００３３】
このとき、除振台１の絶対変位ｘは次式で表される。
【００３４】
【数８】
0003681072.tif 000009
ここで、ばね３のばね定数Ｋとダンパ４の粘性係数Ｃおよびアクチュエータ６の動特性Ｋt ／ｓを予め測定しておき、Ｇffを以下のように選ぶ。
【００３５】
【数９】
0003681072.tif 000010
つまり除振支持機構５とアクチュエータ６の逆システムを掛けたものを選ぶ。このとき床振動伝達率ｘ／ｘ0 は以下の式で表される。
【００３６】
【数１０】
0003681072.tif 000011
すなわち、除振支持機構５を伝達して除振台１におよぼす力外乱（Ｃｓ＋Ｋ）ｘ0 を打ち消すことができる。しかし実用上は完全な微分要素を実現できないので、Ｇffは以下のように時定数ｆ1 ，ｆ2 を持つ２次のローパスフィルタを含む疑似微分要素となる。
【００３７】
【数１１】
0003681072.tif 000012
このとき床振動伝達率ｘ／ｘ0 は以下の式で表される。
【００３８】
【数１２】
0003681072.tif 000013
上式においてローパスフィルタの時定数ｆ2 を大きくしていけば、除振支持機構５を伝達して除振台１におよぼす力外乱（Ｃｓ＋Ｋ）ｘ0 を打ち消せることがわかる。これにより床振動伝達率ｘ／ｘ0 を小さくできるので、その分、除振性能が向上する。
【００３９】
【実施例５】
また、アクチュエータ６の動特性が積分要素となる実施例４の構成でも、実施例３と同様にばね３を伝達する床振動による力外乱のみを打ち消すようにしても十分に性能の改善が図れる。すなわちＧffを以下のように選ぶ。
【００４０】
【数１３】
0003681072.tif 000014
Ｔf はローパスフィルタの時定数である。このとき床振動伝達率ｘ／ｘ0 は以下の式で表される。
【００４１】
【数１４】
0003681072.tif 000015
上式において時定数Ｔf を小さくしていけば、ばね３を伝達して除振台１におよぼす力外乱Ｋｘ0 が打ち消される。すなわち、床振動制御ループにより床振動伝達率ｘ／ｘ0 が小さくなり、除振性能を向上させることができる。
【００４２】
【実施例６】
上述の実施例１および実施例４においては、振動センサ７の出力と変位センサ１１の出力から検出する床の振動成分は床振動変位ｘ0 としたが、床の振動成分が床振動速度ｖ（＝ｄｘ／ｄｔ）であっても本発明は実施可能である。アクチュエータ６の動特性が積分要素となる実施例４の構成を用いて、これを説明する。
【００４３】
図４は、振動センサ７の出力と変位センサ１１の出力から床振動速度ｖを検出する方法を示したブロック図である。図４の方法で検出される床振動速度ｓｘ0 は、振動センサ７で検出された加速度αの１階積分と変位センサ１１で検出された相対変位（ｘ−ｘ0 ）の疑似微分との差分より得られる。１５は疑似微分フィルタを表わす。これを式で示すと以下のようになる。
【００４４】
【数１５】
0003681072.tif 000016
上式における時定数Ｔ1 を小さくして、注目する帯域近傍（０．１〜１００Ｈｚ）で十分に床振動速度ｓｘ0 を検出できるとする。
【００４５】
ここで、時定数Ｔ2 のローパスフィルタを含めて、Ｇffを以下のように選ぶ。
【００４６】
【数１６】
0003681072.tif 000017
このとき、床振動伝達率ｘ／ｘ0 は以下の式で表される。
【００４７】
【数１７】
0003681072.tif 000018
上式において時定数Ｔ2 を小さくしていけば、除振支持機構５を伝達して除振台１におよぼす力外乱（Ｃｓ＋Ｋ）ｘ0 を打ち消すことがわかる。これにより、床振動伝達率ｘ／ｘ0 を小さくできるので、その分、除振性能が向上する。
【００４８】
床振動制御ループにより床振動伝達率ｘ／ｘ0 が小さくなり、除振性能を向上させることができる。
【００４９】
【実施例７】
また、実施例６の構成でも、実施例３と同様にばね３を伝達する床振動による力外乱のみを打ち消すようにしても十分に性能の改善が図れる。すなわちＧffを以下のように選ぶ。
【００５０】
【数１８】
0003681072.tif 000019
ここでＫffはゲインを表わす。このとき床振動伝達率ｘ／ｘ0 は以下の式で表される。
【００５１】
【数１９】
0003681072.tif 000020
上式においてＫffを０から１にしていけば、ばね３を伝達して除振台１におよぼす力外乱Ｋｓｘ0 打ち消される。すなわち、床振動制御ループにより床振動伝達率ｘ／ｘ0 が小さくなり、除振性能を向上させることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、振動制御ループのゲインが抑えられている場合でも、除振性能を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例に係るアクティブ除振装置の構成図である。
【図２】  図１の装置のブロック図である。
【図３】  図１の装置の効果を床振動伝達率で示した図である。
【図４】  本発明の他の実施例における床振動速度の検出方法を示した図である。
【符号の説明】
１：除振台、２：精密機器、３：ばね、４：ダンパ、５：除振支持機構、６：アクチュエータ、７：振動センサ、８：フィルタ、９：振動補償回路、１０：駆動回路、１１：変位センサ、１２：位置補償回路、１３：演算回路、１４：床振動補償回路、１５：疑似微分フィルタ、ｘ：除振台１の絶対変位、ｘ0 ：床振動の絶対変位、ｆd ：精密機器２の駆動による力外乱、Ｍ：除振台１と精密機器２の質量、Ｋ：ばね３のばね定数、Ｃ：ダンパ４の粘性係数、Ａ：アクチュエータ６の伝達関数、Ｋv ：振動補償回路の積分補償器ゲイン、Ｇff：床振動補償回路の伝達関数。
【図１】
0003681072.tif 000021
【図２】
0003681072.tif 000022
【図３】
0003681072.tif 000023
【図４】
0003681072.tif 000024