(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎、床または地盤等である設置面上に制御対象物を支持する受動型バネ要素からなる除振台と、前記制御対象物の振動を検出するセンサーと、検出された制御対象物振動信号から能動的除振をするためのドライブ信号を作り出す制御回路と、前記ドライブ信号により前記制御対象物に制振力を付加するアクチュエータとを備え、前記センサーは、前記除振台の固有振動数に合致する固有振動数を有する共振台を介して前記制御対象物に搭載されたサーボ型加速度センサーからなり、前記サーボ型加速度センサーは、前記除振台の固有振動数において９０°の位相差および＋１０〜４０ｄＢのゲインを有していることを特徴とする能動型除振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は除振、免震、制振機能を有する能動型除振装置に関し、特に、能動制御に最適な位相差およびゲインが得られるサーボ型センサーを備えた能動型除振装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来から半導体製造・検査装置、電子顕微鏡、光応用装置等に代表される精密機器は、それら自身の機能、仕様が高集積、高分解能、超精密化していくために設置基礎または床からの振動を遮断する必要がある。
【０００３】
このため、バネ係数の軟いバネ（防振ゴム、スプリング、空気バネ）と粘性減衰定数のダッシュポットを使用し、バネで支持された定盤に精密機器が搭載された質量の制御対象物を受動に制御して除振する受動型（パッシブ）除振台が知られている。
【０００４】
この受動型除振台では、設置基礎または床の振動より振動が大きくなってしまう領域（共振領域）と減衰できる領域（除振領域）が共存してしまうことになり、減衰定数が小なるとき、正規化周波数が１以上での除振効果は大きいが、共振が大になる。又、減衰定数が大なるときは、共振は０ｄＢに近づくが、正規化周波数１以上での除振効果は少なくなる。また、粘性減衰を付加して共振を抑えようとすると、除振効果は減じ、二律相反を崩すことはできなかった。
【０００５】
これら受動型除振台の発展型として、図４に示す垂直方向１軸（Ｚ軸）モデルとして、バネ係数ｋの軟いバネ（防振ゴム、スプリング、空気バネ）と粘性減衰定数ｃのダッシュポットのバネ系で支持された定盤に精密機器が搭載された制御対象物の質量ｍ自身の振動を振動センサーＳＥでモニターし、補償回路で位相反転し駆動回路でドライブ信号を作成し、バネ系とは別に設けたアクチュエータＡＣＴにより振動を定盤に精密機器が搭載された制御対象物質量ｍに印加することで、共振現象のない、除振効果の高い能動型（アクティブ）除振台が開発され、特開昭６１−２２８１３７号、特開昭６１−２２４０１５号公報等で報告されている。
【０００６】
この能動型除振台において、振動センサーＳＥは能動的に振動制御すべき制御対象物（例えば定盤）に直接固定されている（図４）。
【０００７】
また、振動センサーＳＥは速度型センサー、加速度型センサーが用いられるが、低周数領域（ｆ≦５Ｈｚ）でのゲインがフラットであること、位相特性がフラットであることからサーボ型加速度センサーが多用されている。
【０００８】
さらに、除振台の固有振動数は１〜４Ｈｚ位に存在し、この周波数帯域で振動センサーの出力が低下しないことが望ましい。
【０００９】
このサーボ型加速度センサーは、図５に示すようにケース内に設けられたバネ係数ｋのばね３０と粘性減衰定数Ｄの減衰器３１で支持された質量ｍの振子重錘３０と、重錘の平衡点からの変位を検出する位置検出部３２と、重錘を常に平衡点へ戻そうとする電気的な復原力を発生する駆動部３３と、位置検出部−駆動部間に介在するサーボ増幅器３４とから構成されている。ケースが空間に対して変位ｙが発生し、重錘３０に加速度が働いて平衡点から変位ｘだけづれると、位置検出部３２によって、このづれを検出し、サーボ増幅器３４と駆動部３３によって、づれに比例した電気的な復原力を発生させる。加速度は従来の重錘の変位からではなく、駆動部３３に供給される電流ｉを抵抗Ｒの電圧降下ｖで測定される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
（１）このようなサーボ型加速度センサーが搭載された能動型除振台において、除振台の入力振動に対する出力振動の比＝振動伝達率（ボード線図）は図６に示すようにゲインは固有振動数で最大（例えば１０ｄＢ）、位相は固有振動数ｆｏで９０°遅れ、それより高域で−１８０°の位相となる。この振動伝達率において、床面ＥＲ（図４）上の振動加速度のスペクトラムを或るレベル（ｎｄＢ）で一定とすると（図７）、制御対象物（定盤）上の振動加速度のスペクトラムは、振動伝達率のカーブをトレースする。
【００１１】
（２）この出力振動（定盤上の振動）をサーボ型加速度センサーで計測した場合、図８に示すように出力振動のパターンをトレースした加速度センサー信号が出力される。定盤上の振動に対するサーボ型加速度センサーの出力信号の位相差は同図に示すように０°で同相である。
【００１２】
（３）図６の振動伝達率において斜線部分の共振領域を能動に減衰させるためには振動センサーの出力として共振点付近の高いゲインと位相反転が必要である。
【００１３】
（４）位相反転は振動計出力信号の＋−を反転して位相補償回路（図４）に接続することで調整される。高いゲインについては振動センサーの出力信号を周波数全帯域で電気的に増幅して達成される（図９）。
【００１４】
（５）上項（４）によって調整、増幅された信号は多くの場合、除振台を構成する除振部材の共振により１００Ｈｚ以上の周波数帯域において位相シフト、ゲインアップが発生し、制御が不安定になり発振してしまう。そのために特定の周波数帯に作用するハイパスフィルター（ＨＰＦ）、ローパスフィルター（ＬＰＦ）を挿入してゲイン調整を行う。このゲイン調整により位相シフトが発生し、最適な調整が非常に難しくなる。
【００１５】
（６）上項（１）〜（５）までの評価は、一巡の開ループ伝達関数（オープンループ伝達関数）によって行われる。すなわち定盤を故意に加振するために力アクチュエータＡＣＴを既知の信号（Ｖｉｎ）と、この信号により振動した際の一巡の各要素（力アクチュエータ、除振台、振動センサー、補償回路）の伝達関数（周波数特性、位相特性）を経た補償回路出口での信号（Ｖｏｕｔ）との比（ゲイン、位相）により全体の伝達関数を用いて制御性をチェックする（図１０）。
【００１６】
以上述べた課題を整理すれば、能動型（アクティブ）除振台に要求される事柄は、
ａ）共振点付近の振動を如何に低く抑えるか
ｂ）２０〜３０Ｈｚ付近でパッシブ振動を越えないようにパッシブ振動に戻す
ｃ）１００Ｈｚ以上で発振しないように安定化させる
点が挙げられ、模式的には図１１に示す。
【００１７】
したがって図６〜７に示す定盤上の振動加速度に対して加速度センサーで計測される出力信号は、
ａ）共振点付近のゲインを如何に上げるか
ｂ）除振部材（制御対象物たる定盤やそれに搭載された精密機器、除振台のフレーム等）の共振が発生しやすい高域（＞３０Ｈｚ）のゲインを如何に低く抑えるかが課題となる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
これらの課題を解決するため本発明の能動型除振装置によれば、基礎、床または地盤等である設置面上に制御対象物を支持する受動型バネ要素からなる除振台と、制御対象物の振動を検出するセンサーと、検出された制御対象物振動信号から能動的除振をするためのドライブ信号を作り出す制御回路と、ドライブ信号により制御対象物に制振力を付加するアクチュエータとを備え、センサーは、除振台の固有振動数に実質的に合致する固有振動数を有する共振台を介して制御対象物に搭載されたサーボ型加速度センサーからなり、サーボ型加速度センサーは、除振台の固有振動数において実質的に９０°の位相差および＋１０〜４０ｄＢのゲインを有しているものである。
【００１９】
【作用】
基礎、床または地盤等である設置面上に、制御対象物は除振台の受動型バネ要素で支持されている。
【００２０】
制御対象物の振動はセンサーで検出される。検出された制御対象物振動信号は、制御回路における増幅器で増幅され、位相補償回路で制御対象物振動信号の位相補償が行なわれ、駆動回路で能動的除振をするためのドライブ信号が生成される。ドライブ信号により空圧アクチュエータで制御対象物に制振力が付加される。
【００２１】
このセンサーは、サーボ型加速度センサーから構成され、共振台を介して制御対象物に搭載され、共振台は除振台の固有振動数に実質的に合致する固有振動数を有し、共振台を介して制御対象物に搭載されたサーボ型加速度センサーは、この除振台の固有振動数において実質的に９０°の位相差および＋１０〜４０ｄＢのゲインをもっているので、共振領域のゲインを選択的に増幅でき、除振台の除振部材の共振が発生する周波数帯域（１００Ｈｚ以上）では出力信号を減衰できる。このようにして能動制御に最適な位相差およびゲインが得られる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明による能動型除振装置の好ましい一実施例を図面に基づき説明する。
【００２３】
図１において、本発明の能動型除振装置は、基礎、床または地盤等である設置面１０上に受動型バネ要素１１により制御対象物１２が支持されて除振台１３が構成されている。
【００２４】
ここで、制御対象物１１とは、定盤のような被除振質量のみならず、これに搭載されたステッパー（縮小投影型露光機）のようなＩＣ、ＬＳＩの半導体製造・検査装置、電子顕微鏡、光応用装置等の精密機器１４が含まれるものである。
【００２５】
この受動型バネ要素１１は空気バネとダッシュポットとからなる周知の受動型除振装置を構成している。
【００２６】
精密機器１４を含む制御対象物１２には、制御対象物１２の振動を検出するセンサー１５が搭載されている。
【００２７】
また、検出された制御対象物振動信号Ｓ１から能動的除振をするためのドライブ信号Ｓ２を作り出す制御回路１６と、ドライブ信号Ｓ２により制御対象物１２に制振力ｆを付加する空圧アクチュエータ１７とが備えられている。
【００２８】
この制御回路１６は、センサー１５により検出された制御対象物振動信号Ｓ１を増幅する増幅器１８、増幅された制御対象物振動信号Ｓ１の位相補償を行なう位相補償回路１９、位相補償された信号からドライブ信号Ｓ２を生成する駆動回路２０から構成されている。駆動回路２０からのドライブ信号Ｓ２により空圧アクチュエータ１７に空気を給排気するサーボバルブ２１が設けられている。空圧アクチュエータとしてはサーボバルブ２１を省略し、リニアモータ（ボイス・コイル・モータ）を使用し、これをドライブ信号Ｓ２により電気的に直接駆動することもできる。
【００２９】
本発明の特徴によれば、センサー１５は、サーボ型加速度センサー（図５）から構成されている。サーボ型加速度センサーは共振台２２を介して制御対象物１２に搭載されている（図１）。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、共振台２２はバネ係数ｋ１の空気バネと粘性減衰定数ｃ１のダッシュポットの受動型バネ要素でサーボ型加速度センサーの質量ｍ１が支持されることにより構成されている。
【００３１】
制御対象物１２を支持する除振台１３はバネ係数ｋの空気バネと粘性減衰定数ｃのダッシュポットの受動型バネ要素１１で支持された定盤に精密機器が搭載された制御対象物１２の質量ｍにより、固有振動数ｆｏ（図３）を有する。共振台２２は除振台１３の固有振動数に実質的に合致する固有振動数を有する。共振台２２の固有振動数を除振台１３のそれに合致させるには、使用する受動型バネ要素における空気バネのバネ係数ｋ１、ダッシュポットの粘性減衰定数ｃ１、サーボ型加速度センサーの質量ｍ１若しくはサーボ型加速度センサーと受動型バネ要素の間に設けられた補助質量ｍ２（図２（ｂ））により調整される。
【００３２】
こうして共振台２２を介して制御対象物１２に搭載されたサーボ型加速度センサーは、この除振台１３の固有振動数ｆｏにおいて、実質的に９０°の位相差および＋１０〜４０ｄＢ、好ましくは＋１０〜２０ｄＢのゲインを有している（図３）。
【００３３】
この結果、除振台１３に発生している図６〜図７に示す振動に対して図２に示す加速度センサー（ｍ１）の出力は図３のようになり、共振領域のゲインを選択的に増幅でき、除振台１３の除振部材の共振が発生する周波数帯域（１００Ｈｚ以上）では出力信号を減衰できる。なお、図２に示すダッシュポットの粘性減衰定数ｃ１をｃ１０、ｃ２０に変化させることにより、図３に示すように共振領域での増幅、共振が発生する周波数帯域での減衰の度合いを変更することができる。
【００３４】
振動加速度センサーを搭載した共振台により加速度センサーの出力信号は定盤の振動加速度に帯して固有振動数領域で位相が９０°遅れる。
【００３５】
このように構成された能動型除振装置において、基礎、床または地盤等である設置面１０上に、制御対象物１２は除振台１３の受動型バネ要素１１で支持されている。
【００３６】
制御対象物１２の振動はセンサー１５で検出される。検出された制御対象物振動信号Ｓ１は、制御回路１６における増幅器１８で増幅され、位相補償回路１９で制御対象物振動信号Ｓ１の位相補償が行なわれ、駆動回路２０で能動的除振をするためのドライブ信号Ｓ２が生成される。ドライブ信号Ｓ２により空圧アクチュエータ１７で制御対象物１２に制振力ｆが付加される。
【００３７】
この場合、センサー１５は、サーボ型加速度センサーから構成され、このサーボ型加速度センサーは共振台２２を介して制御対象物１２に搭載され、共振台２２は除振台１３の固有振動数に実質的に合致する固有振動数を有し、共振台２２を介して制御対象物１２に搭載されたサーボ型加速度センサーは、この除振台１３の固有振動数ｆｏにおいて実質的に９０°の位相差および＋１０〜４０ｄＢのゲインをもっているので、共振領域のゲインを選択的に増幅でき、除振台１３の除振部材の共振が発生する周波数帯域（１００Ｈｚ以上）では出力信号を減衰できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の実施例からも明らかなように、本発明の能動型除振装置によれば、基礎、床または地盤等である設置面上に制御対象物を支持する受動型バネ要素からなる除振台と、制御対象物の振動を検出するセンサーと、検出された制御対象物振動信号から能動的除振をするためのドライブ信号を作り出す制御回路と、ドライブ信号により制御対象物に制振力を付加するアクチュエータとを備え、センサーは、除振台の固有振動数に実質的に合致する固有振動数を有する共振台を介して制御対象物に搭載されたサーボ型加速度センサーからなり、サーボ型加速度センサーは、除振台の固有振動数において実質的に９０°の位相差および＋１０〜４０ｄＢのゲインを有していることにより、周波数軸で選択的に加速度センサーの出力を増減でき、アクティブパワーの最も必要な共振領域で最大ゲインを、それ以降の高域の周波数帯においても制御を安定化させるに十分なフィルター機能（除振機能）をもたせることが可能となり、能動（アクティブ）制御に最適な位相差およびゲインが得られ、図１１に示す理想アクティブ制御が達成される。
【００３９】
また、共振台は機械的なフィルター機能をもつことになり、後段の電気的な位相補償回路１９の負担が軽減される。あるいは高域の制御安定性は増大するので、この回路でさらに共振領域のゲインを増大させることが可能となる。
【００４０】
さらに、共振台により自動的に位相がアクティブに最適なようシフトするので後段の位相反転は不要となる。
【００４１】
さらにまた、共振台のダンパーの減衰力を可変にすることで出力信号のゲインと位相のシフトの変化率を調整できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による能動型除振装置の説明図
【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明による能動型除振装置に使用される除振台および共振台の構成要素を示す図
【図３】定盤上の加速度に対する、加速度センサの出力のゲインを示す図
【図４】従来の能動型除振装置の説明図
【図５】能動型除振装置に使用されるサーボ型加速度センサーの説明図
【図６】従来の能動型除振装置によって得られた周波数−振動伝達率を示すグラフ
【図７】従来の能動型除振装置において床面上の振動を考慮したとき得られた周波数−振動伝達率を示すグラフ
【図８】従来の能動型除振装置においてサーボ型加速度センサーで計測した場合の周波数−振動伝達率を示すグラフ
【図９】従来の能動型除振装置においてサーボ型加速度センサーの出力信号を位相反転と高いゲインの増幅を得るようにした周波数−振動伝達率を示すグラフ
【図１０】従来の能動型除振装置において開ループ伝達関数よって制御性をチェックする手法を示す図
【図１１】能動型除振装置においてパッシブ除振、能動型（アクティブ）除振および理想的な除振を模式的に示すグラフ
【符号の説明】
１０……設置面
１１……受動型バネ要素
１２……制御対象物
１３……除振台
１５……センサー        （サーボ型加速度センサー）
１６……制御回路
（１８……増幅器
１９……位相補償回路
２０……駆動回路）
１７……アクチュエータ
２２……共振台
ｆ……制振力
ｆｏ……除振台の固有振動数
Ｓ１……制御対象物振動信号
Ｓ２……ドライブ信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003616399.tif 000008
【図８】
0003616399.tif 000009
【図９】
0003616399.tif 000010
【図１０】
0003616399.tif 000011
【図１１】
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