(57)【要約】  【課題】  地動外乱及び直動外乱による振動の除振が可能で、且つ、広い荷重範囲に渡ってゼロコンプライアンスを実現できる、低コストの除振装置を提供する。  【解決手段】  本発明の除振装置は、除振対象物３４を支持する支持機構が、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構３１と、第１の支持機構３１と直列に配置された低剛性の第２の支持機構３２とを有し、第１の支持機構３１のアクチュエータの変位が、第２の支持機構３２の変位を相殺するように制御される。そのため、地動外乱及び直動外乱による振動が発生しても、除振対象物３４の位置は変動しない。この除振装置は、地動外乱及び直動外乱による振動の除振が可能であり、また、広い荷重範囲に渡ってゼロコンプライアンスを実現することができ、高い信頼性を有している。また、低コストでの製作が可能である。  【選択図】図２
2007007580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
除振対象物を支持する支持機構が、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構と、前記第１の支持機構と直列に配置された低剛性の第２の支持機構と、前記第２の支持機構の変位を測定する測定手段とを有し、前記第１の支持機構のアクチュエータの変位が、前記測定手段の測定結果に基づいて前記第２の支持機構の変位を相殺するように制御されることを特徴とする除振装置。
【請求項２】
請求項１に記載の除振装置であって、前記第１の支持機構と前記第２の支持機構とが、前記第１の支持機構の上方に前記第２の支持機構が位置するように、垂直方向に直列に配置されていることを特徴とする除振装置。
【請求項３】
請求項１に記載の除振装置であって、前記第１の支持機構と前記第２の支持機構とが、前記第２の支持機構の上方に前記第１の支持機構が位置するように、垂直方向に直列に配置されていることを特徴とする除振装置。
【請求項４】
請求項１に記載の除振装置であって、前記第１の支持機構と前記第２の支持機構とが水平方向に直列に配置されていることを特徴とする除振装置。
【請求項５】
床に対して、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構で支持された中間台と、該中間台に対して、低剛性の第２の支持機構で支持された除振テーブルと、前記第２の支持機構の変位を測定する測定手段と、前記測定手段の測定結果に基づいて前記第２の支持機構の変位を相殺するように前記第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御する制御手段とを備えることを特徴とする除振装置。
【請求項６】
床に対して、低剛性の第２の支持機構で支持された中間台と、該中間台に対して、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構で支持された除振テーブルと、前記第２の支持機構の変位を測定する測定手段と、前記測定手段の測定結果に基づいて前記第２の支持機構の変位を相殺するように前記第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御する制御手段とを備えることを特徴とする除振装置。
【請求項７】
請求項１〜６に記載の除振装置であって、前記第１の支持機構のアクチュエータが、ボイスコイルモータまたは圧電アクチュエータであり、前記第２の支持機構が、機械バネまたは空気バネであることを特徴とする除振装置。
【請求項８】
アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構と、前記第１の支持機構と直列に配置された低剛性の第２の支持機構とで除振対象物を支持することにより、除振対象物に作用する直動外乱を抑制し、床から除振対象物に伝わる地動外乱を遮断する除振方法であって、
前記第２の支持機構の変位を測定し、その測定結果に基づいて、前記第２の支持機構の変位を相殺するように、前記第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御することを特徴とする除振方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動の伝達を抑える除振装置及び除振方法に関し、特に、低コストで良好な除振特性を実現するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイス製造システムでは、製品の精度を高めるため、製造装置に除振装置を適用して、振動等の外乱の侵入を防いでいる。
振動は、図１０に示すように、床から機器に伝播する（これを地動外乱と言う）。この地動外乱を吸収するために、従来から、低剛性の機械バネや空気バネで機器やテーブル等の除振対象物を支える“パッシブ除振装置”が広く使われている。しかし、低剛性のバネだけで支持した場合は、除振対象物に直接作用する外乱Ｆ（これを直動外乱と言う）によって除振対象物に振動が発生し、パッシブ除振装置では、この振動を抑えることができない。【０００３】
また、図１１に示すように、除振対象物１０をアクチュエータ１３で支持し、除振対象物１０の振動を加速度センサ１１で検知して、その振動を打ち消すようにコントローラ１２でアクチュエータ１３を駆動する“アクティブ除振装置”も従来から使用されている。しかし、この装置では、低周波の振動まで感度良く検出できるサーボ型加速度センサを複数個（ｘ、ｙ、ｚ面に２個ずつ配置する場合は６個）用いる必要があるが、このセンサは高価であり、そのため、アクティブ除振装置は、パッシブ除振装置の１０倍程度のコストが掛かる。【０００４】
本発明者等は、下記特許文献１において、バネによる支持機構と、ゼロパワー磁気浮上制御機構とを組み合わせて、地動外乱及び直動外乱による振動を除振する低コストの除振装置を提案している。
ゼロパワー磁気浮上制御機構は、図１２（ｂ）に示すように、電磁石２２と、これと対向するように浮上対象物２８に取り付けた永久磁石２１とを用いて磁気浮上を達成する機構である。永久磁石２１の吸引力と重力とがバランスして浮上している質量ｍの浮上対象物２８に質量Δｍが加わると、重力の増加に見合う吸引力の増加を得るために、電磁石２２への通電を増やして、永久磁石２１をさらに電磁石２２の側に引き付ける制御が行われる。【０００５】
正の剛性を有する通常のバネは、図１２（ａ）に示すように、質量Δｍの増加により重力が増すと、長さが伸びる。これに対して、ゼロパワー磁気浮上制御機構は、質量Δｍの増加により重力が増すと、電磁石２２と永久磁石２１との距離が短くなり、負の剛性を有するバネとして見ることができる。
図１３に示すように、剛性がｋ１のバネとｋ２のバネとを直列接続した場合、合成バネの剛性ｋｃは次式のようになる。
ｋｃ＝ｋ１・ｋ２／（ｋ１＋ｋ２）
従って、ｋ１＝−ｋ２を満たすならば、｜ｋｃ｜＝＋∞とすることができる。【０００６】
特許文献１の除振装置は、こうした発想の基に、図１４に示すように、正の剛性（ｋ１）のバネ２６と、負の剛性（−ｋ１）のバネとして作用するゼロパワー磁気浮上制御機構とを直列に組み合わせて、全体の剛性（ｋｃ）を無限大に設定し、直動外乱による除振テーブル２４の振動を抑制している。その結果、図１５（ａ）に示すように、除振テーブル２４に直動外乱が加えられると、図１５（ｂ）に示すように、ベース２５に対して、バネ２６に直結する中間台２３だけが動き、除振テーブル２４は動かない。
また、地動外乱による振動は、バネ２６の剛性（ｋ１）を小さい値に設定することで除くことができる。
【特許文献１】特開２００２−８１４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の除振装置は、直動外乱が大きい場合に、直動外乱に追従して振動を完全に抑制することができない（即ち、ゼロコンプライアンスが実現できない）という問題点がある。
図１６は、この除振装置の除振テーブル２４に種々の荷重を加え、そのときの中間台２３に対する除振テーブル２４の相対変位、ベース２５に対する中間台２３の変位、及びベース２５に対する除振テーブル２４−ベース２５間の変位を測定した結果を示している。図１６では、横軸に下向きの荷重の大きさをＮ（ニュートン）で示し、縦軸に上向きの変位の大きさをｍｍで示している。ベース２５に対する除振テーブル２４の変位は、中間台２３に対する除振テーブル２４の相対変位とベースに対する中間台の変位とを加えたものとなる。【０００８】
この図１６から明らかなように、荷重が約６Ｎ以上になると、除振テーブル２４−ベース２５間の距離の変位は０から外れ、ゼロコンプライアンスが実現していない。これは、永久磁石の吸引力Ｆが、次式で示すように、ギャップ距離（Ｘ）の１／Ｘ2に比例することが原因している。
Ｆ＝μμ0Ｎ2ＳＩ2／Ｘ2 
ここで、μはギャップの比透磁率（空気の場合１）、μ0は真空透磁率、Ｎはコイル巻数、Ｓはギャップ断面積、Ｉは、永久磁石の起磁力から決まる等価電流を表す。ギャップがＸからＸ−ΔＸに変化したとすると、上式は、次のように表すことができる。
Ｆ＝μμ0Ｎ2ＳＩ2／（Ｘ−ΔＸ）2 
≒μμ0Ｎ2ＳＩ2／Ｘ2＋２（μμ0Ｎ2ＳＩ2／Ｘ3）ΔＸ
ここで、左辺第２項の係数２（μμ0Ｎ2ＳＩ2／Ｘ3）が負の剛性の大きさとなる。即ち、負の剛性の大きさは、ギャップの逆数の３乗に比例する。除振テーブル２４に下向きの加重を加えると、中間台２３−ベース２５間の距離は、加重に比例して短くなる（図１６中では、マイナスの変位で表している）。一方、ゼロパワー磁気浮上制御機構の電磁石２２と永久磁石２１とのギャップは小さくなり、負の剛性の大きさが大きくなるので、中間台２３に対する除振テーブル２４の相対変位の増え方は小さくなる。そのため、ベース２５に対する除振テーブル２４の変位が−側にずれる。【０００９】
本発明は、こうした従来の問題点を解決するものであり、地動外乱及び直動外乱による振動の除振が可能であって、且つ、広い荷重範囲に渡ってゼロコンプライアンスを実現できる、低コストの除振装置を提供し、また、その除振方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の除振装置は、除振対象物を支持する支持機構が、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構と、第１の支持機構と直列に配置された低剛性の第２の支持機構と、第２の支持機構の変位を測定する測定手段とを有し、第１の支持機構のアクチュエータの変位が、前記測定手段の測定結果に基づいて第２の支持機構の変位を相殺するように制御される。
そのため、地動外乱及び直動外乱による振動が発生しても、除振対象物の位置は変動しない。【００１１】
また、本発明の除振装置では、第１の支持機構と第２の支持機構とを、第１の支持機構の上方に第２の支持機構が位置するように、垂直方向に直列に配置することができる。
このような配置にした場合、直動外乱によって生じる第２の支持機構の変位を速やかに検出できるため、直動外乱に対する応答を良好にする効果が得られる。【００１２】
また、本発明の除振装置では、第１の支持機構と第２の支持機構とを、第２の支持機構の上方に第１の支持機構が位置するように、垂直方向に直列に配置することができる。
このような配置にした場合、アクチュエータの駆動する質量を除振テーブルだけに減らすことができるため、アクチュエータを小型にできるという効果が得られる。【００１３】
また、本発明の除振装置では、第１の支持機構と第２の支持機構とを水平方向に直列に配置することができる。
こうした構成で、水平方向の振動の除振を行うことができる。【００１４】
また、本発明の除振装置は、床に対してアクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構で支持された中間台と、該中間台に対して低剛性の第２の支持機構で支持された除振テーブルと、第２の支持機構の変位を測定する測定手段と、この測定手段の測定結果に基づいて第２の支持機構の変位を相殺するように第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御する制御手段とを備えている。
この装置では、除振テーブルに対する地動外乱及び直動外乱が吸収され、除振テーブルに載置された物品には振動が伝わらない。特に、除振テーブルへの直動外乱によって生じる第２の支持機構の変位を速やかに検出することができるため、直動外乱に対して良好な応答性を有している。【００１５】
また、本発明の除振装置は、床に対して低剛性の第２の支持機構で支持された中間台と、該中間台に対してアクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構で支持された除振テーブルと、第２の支持機構の変位を測定する測定手段と、この測定手段の測定結果に基づいて第２の支持機構の変位を相殺するように第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御する制御手段とを備えている。
この装置では、除振テーブルに対する地動外乱及び直動外乱が吸収され、除振テーブルに載置された物品には振動が伝わらない。また、アクチュエータは、除振テーブルとその上に載置された物品とを駆動するだけでよいため、アクチュエータを小型にできる。【００１６】
また、本発明の除振装置では、前記第１の支持機構のアクチュエータに、ボイスコイルモータまたは圧電アクチュエータを用い、前記第２の支持機構に、機械バネまたは空気バネを用いることができる。【００１７】
また、本発明の除振方法は、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構と、第１の支持機構と直列に配置された低剛性の第２の支持機構とで除振対象物を支持することにより、除振対象物に作用する直動外乱を抑制し、床から除振対象物に伝わる地動外乱を遮断する除振方法であって、第２の支持機構の変位を測定し、その測定結果に基づいて、第２の支持機構の変位を相殺するように、第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御する。
そのため、地動外乱及び直動外乱による振動が発生しても、除振対象物の位置は変動しない。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の除振装置は、地動外乱及び直動外乱による振動の除振が可能であり、また、広い荷重範囲に渡ってゼロコンプライアンスを実現することができ、高い信頼性を有している。また、この装置は低コストで製作することができる。
また、本発明の除振方法は、この除振装置を用いて、広い荷重範囲に渡るゼロコンプライアンスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態における除振装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施形態における除振装置の変位相殺の動作を説明する図
【図３】本発明の実施形態における除振装置の変位相殺制御系を示す図
【図４】本発明の実施形態における除振装置の制御系のブロックダイアグラムを示す図
【図５】本発明の実施形態における水平に配置した除振装置を示す図
【図６】本発明の実施形態における除振装置の除振特性の測定に用いた装置を示す図
【図７】測定装置のＶＣＭを制御する制御系のブロックダイアグラムを示す図
【図８】本発明の実施形態における除振装置の除振特性を示す図
【図９】本発明の実施形態における除振装置の他の変位相殺制御系を示す図
【図１０】地動外乱及び直動外乱を説明する図
【図１１】従来のアクティブ除振装置の構成を示す図
【図１２】ゼロパワー磁気浮上制御機構の説明図
【図１３】従来の除振装置の除振原理を説明する図
【図１４】従来の除振装置の構成を示す図
【図１５】従来の除振装置の除振動作を説明する図
【図１６】従来の除振装置の除振特性を示す図
【符号の説明】
【００２０】
１０  除振対象物
１１  加速度センサ
１２  コントローラ
１３  アクチュエータ
２１  永久磁石
２２  電磁石
２３  中間台
２４  除振テーブル
２５  ベース
２６  バネ
２８  浮上対象物
３１  第１支持機構
３２  第２支持機構
３３  中間台
３４  除振テーブル
３５  ベース
３６  リニアスライダ
４１  コントローラ
４２  増幅器
４３  ＶＣＭ
４４  歪みゲージセンサ
４５  歪みアンプ
４６  ＤＳＰ
４７  ＰＤ部
４８  積分器
４９  減算器
５０  減算器
５１  増幅器
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態における除振装置は、図１に示すように、ベース３５と、中間台３３と、除振テーブル３４と、ベース３５上にあって中間台３３を支持する第１支持機構３１と、中間台３３上にあって除振テーブル３４を支持する第２支持機構３２とを備えている。
第２支持機構３２は、低剛性を有しており、除振テーブル３４に加わる直動外乱に応じて伸縮する。また、第２支持機構３２は、ベース３５を通じて伝播する地動外乱による振動を吸収し、その振動の除振テーブル３４への伝播を抑制する。
一方、第１支持機構３１は、アクチュエータを備えた能動型支持機構であり、除振テーブル３４−中間台３３間の距離の変位を相殺するようにアクチュエータが制御され、この制御に即時に対応できる速応性を備えている。【００２２】
図２は、除振テーブル３４に直動外乱が加わった場合の第１支持機構３１及び第２支持機構３２の変位の様子を示している。図２（ａ）に示すように、第２支持機構３２が除振テーブル３４−中間台３３間の距離をｘ１に保ち、第１支持機構３１が中間台３３−ベース３５間の距離をｘ２に保っているとき、除振テーブル３４に直動外乱が加わり、図２（ｂ）に示すように、第２支持機構３２が縮んで、除振テーブル３４−中間台３３間の距離が（ｘ１−Δｘ）に変化したとする。【００２３】
除振テーブル３４−中間台３３間の距離の変位は、例えば、機械的あるいは光学的なギャップセンサー等によって検出され、第１支持機構３１は、その検出値に基づいて、中間台３３−ベース３５間の距離を（ｘ２＋Δｘ）に保つように制御される。その結果、除振テーブル３４−ベース３５間の距離Ｌは、
Ｌ  ＝  （ｘ１−Δｘ）＋（ｘ２＋Δｘ）
＝  ｘ１＋ｘ２
となり、元の距離に保たれる（なお、ここでは、説明を簡単にするため、中間台３３の厚さを０と仮定している）。【００２４】
このように、この除振装置では、図３に示すように、第２支持機構３２の変位情報が、第１支持機構３１のアクチュエータを制御するコントローラ４１に入力し、コントローラ４１は、第２支持機構３２の変位が相殺される変位を第１支持機構３１に与える制御信号を生成する。この制御信号は、増幅器４２で増幅されて第１支持機構３１に入力し、第１支持機構３１は、制御信号に従って変位する。その結果、第２支持機構３２の変位は、相殺される。【００２５】
図４は、第１支持機構３１を制御する制御系の一例をブロックダイアグラムで示している。この制御系は、第１支持機構３１のアクチュエータを構成するＶＣＭ（Voice Coil Motor）４３と、ＶＣＭ４３の可動部の変位ｘを測定する歪みゲージセンサ４４と、歪みを電気信号に変換する歪みアンプ４５と、Ｉ−ＰＤ制御（比例微分先行型ＰＩＤ制御）の制御系を構築するＤＳＰ（Digital Signal Processor）４６と、ＤＳＰ４６から出力された電圧を電流に変換する増幅器５１とを備えている。
また、ＤＳＰ４６は、指令値ｅｉ（Ｖ）から入力信号を減算する減算器４９と、減算器４９の出力の積分動作を行う積分器４８と、入力信号の比例動作及び微分動作を行うＰＤ部４７と、積分器４８の出力からＰＤ部４７の出力を減算する減算器５０とを備えている。指令値ｅｉには、第２支持機構３２の変位を相殺する信号が与えられる。【００２６】
ＶＣＭ４３における式は、ＶＣＭの伝達関数を示しており、ＫｉはＶＣＭ推力係数（Ｎ／Ａ）、ｍはＶＣＭの可動部の質量（ｋｇ）、ｋはＶＣＭ内のバネのバネ定数（Ｎ／ｍ）、ｓは変数である。歪みゲージセンサ４４のＣは、センサゲイン（με／ｍ）を示している。歪みアンプ４５のＫａは、歪みアンプゲイン（Ｖ／με）を示している。ＤＳＰ４６のＰｉ、Ｐｄ、Ｐｖは、積分ゲイン、比例ゲイン、微分ゲインを表している。また、増幅器５１のＫｂは、アンプゲイン（Ａ／Ｖ）を示している。
この制御系の制御パラメータを実験的に求めた後、相殺制御が実行される。【００２７】
次に、この除振装置の特性について説明する。
この特性を測定するため、図５に示すように、ベース３５、第１支持機構３１、中間台３３、第２支持機構３２及び除振テーブル３４を水平方向に配置し、中間台３３及び除振テーブル３４を、地面と摩擦せずに移動できるようにリニアスライダ３６で支持した除振装置を使用した。図６は、実際に測定に使用した除振装置を示している。この装置では、第１支持機構３１をＶＣＭで構成するとともに、第２支持機構３２を、任意の剛性が得られるようにＶＣＭで構成している。図７は、第２支持機構３２のＶＣＭを制御する制御系を示している。この制御系は、図４の制御系に比べて、指令値ｅｉとして，第２支持機構の初期変位を指定する信号を入力している点、及び、ＤＳＰ４６でＰＤ制御の制御系を構築している点が相違している。
また、図６の装置では、外乱発生用のＶＣＭ３７を設置している。また、除振テーブル３４及び中間台３３の水平方向の変位を測定するため、板バネにひずみゲージを取り付けたギャップセンサー３８を、除振テーブル３４と中間台３３との間、及び、中間台３３とベース３５との間に配置している。【００２８】
図８は、外乱発生用ＶＣＭ３７で除振テーブル３４に水平方向の荷重を加え、そのときの「除振テーブル３４−中間台３３間の距離の変位」「中間台３３−ベース３５間の距離の変位」及び「除振テーブル３４−ベース３５間の距離の変位」を測定した結果について示している。横軸には荷重をＮ（ニュートン）で示し、縦軸には変位の大きさをｍｍで示している。「除振テーブル３４−ベース３５間の距離の変位」は、「除振テーブル３４−中間台３３間の距離の変位」と「中間台３３−ベース３５間の距離の変位」とを加えたものとなる。
この図から明らかなように、除振テーブル３４−ベース３５間の距離の変位は、荷重の広い範囲に渡って略０であり、ゼロコンプライアンスが実現している。【００２９】
このように、この除振装置は、地動外乱及び直動外乱による振動の除振が可能であり、また、広い荷重範囲に渡ってゼロコンプライアンスを実現できる。また、高価なサーボ型加速度センサを必要としないので、低コストで製造することができる。【００３０】
なお、ここでは、第１支持機構３１をＶＣＭで構成する例について示したが、その他のアクチュエータ（例えば、圧電アクチュエータ等）であっても、変位相殺制御に適応できる速応性を備えたものであれば、第１支持機構３１としての使用が可能である。また、第２支持機構３２には、低剛性を有する機械バネや空気バネ等を使用することもできる。
また、この除振装置は、垂直に設置するだけでなく、図５に示すように、水平に配置して、水平方向の振動の抑制に利用することもできる。【００３１】
また、ここでは、ベース３５と中間台３３との間に、アクチュエータを備えた第１支持機構３１を配置し、中間台３３と除振テーブル３４との間に低剛性の第２支持機構３２を配置する場合について説明したが、それを逆にして、図９に示すように、第２支持機構３２をベース３５と中間台３３との間に、第１支持機構３１を中間台３３と除振テーブル３４との間に配置しても良い。このような配置とすることによってアクチュエータの駆動する質量を除振テーブルだけにできるので、アクチュエータを小型にできるという効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の除振装置は、半導体製造システム、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の超精密計測機器、レーザ加工やナノスケール加工を行う超精密加工機、あるいは、バイオのマイクロマニュピレーションやナノテクノロジーを扱う最先端分野の機器等、振動を嫌う各種装置の除振のために広く利用することができる。
【図４】
2007007580.tif 000003
【図７】
2007007580.tif 000004
【図８】
2007007580.tif 000005
【図１０】
2007007580.tif 000006
【図１１】
2007007580.tif 000007
【図１２】
2007007580.tif 000008
【図１３】
2007007580.tif 000009
【図１４】
2007007580.tif 000010
【図１５】
2007007580.tif 000011
【図１６】
2007007580.tif 000012
【図１】
2007007580.tif 000013
【図２】
2007007580.tif 000014
【図３】
2007007580.tif 000015
【図５】
2007007580.tif 000016
【図６】
2007007580.tif 000017
【図９】
2007007580.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月31日(2007.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
除振対象物を支持する支持機構が、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構と、前記第１の支持機構と直列に配置された受動型除振が可能な低剛性の第２の支持機構と、前記第２の支持機構の変位を測定する測定手段とを有し、前記第１の支持機構のアクチュエータの変位が、前記測定手段の測定結果に基づいて前記第２の支持機構の変位を相殺するように制御されることを特徴とする除振装置。
【請求項２】
請求項１に記載の除振装置であって、前記第１の支持機構と前記第２の支持機構とが、前記第１の支持機構の上方に前記第２の支持機構が位置するように、垂直方向に直列に配置されていることを特徴とする除振装置。
【請求項３】
請求項１に記載の除振装置であって、前記第１の支持機構と前記第２の支持機構とが、前記第２の支持機構の上方に前記第１の支持機構が位置するように、垂直方向に直列に配置されていることを特徴とする除振装置。
【請求項４】
請求項１に記載の除振装置であって、前記第１の支持機構と前記第２の支持機構とが水平方向に直列に配置されていることを特徴とする除振装置。
【請求項５】
床に対して、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構で支持された中間台と、該中間台に対して、受動型除振が可能な低剛性の第２の支持機構で支持された除振テーブルと、前記第２の支持機構の変位を測定する測定手段と、前記測定手段の測定結果に基づいて前記第２の支持機構の変位を相殺するように前記第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御する制御手段とを備えることを特徴とする除振装置。
【請求項６】
床に対して、受動型除振が可能な低剛性の第２の支持機構で支持された中間台と、該中間台に対して、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構で支持された除振テーブルと、前記第２の支持機構の変位を測定する測定手段と、前記測定手段の測定結果に基づいて前記第２の支持機構の変位を相殺するように前記第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御する制御手段とを備えることを特徴とする除振装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の除振装置であって、前記第１の支持機構のアクチュエータが、ボイスコイルモータまたは圧電アクチュエータであり、前記第２の支持機構が、機械バネまたは空気バネであることを特徴とする除振装置。
【請求項８】
アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構と、前記第１の支持機構と直列に配置された受動型除振が可能な低剛性の第２の支持機構とで除振対象物を支持することにより、除振対象物に作用する直動外乱を抑制し、床から除振対象物に伝わる地動外乱を遮断する除振方法であって、
前記第２の支持機構の変位を測定し、その測定結果に基づいて、前記第２の支持機構の変位を相殺するように、前記第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御することを特徴とする除振方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動の伝達を抑える除振装置及び除振方法に関し、特に、低コストで良好な除振特性を実現するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイス製造システムでは、製品の精度を高めるため、製造装置に除振装置を適用して、振動等の外乱の侵入を防いでいる。
振動は、図１０に示すように、床から機器に伝播する（これを地動外乱と言う）。この地動外乱を吸収するために、従来から、低剛性の機械バネや空気バネで機器やテーブル等の除振対象物を支える“パッシブ除振装置”が広く使われている。しかし、低剛性のバネだけで支持した場合は、除振対象物に直接作用する外乱Ｆ（これを直動外乱と言う）によって除振対象物に振動が発生し、パッシブ除振装置では、この振動を抑えることができない。
【０００３】
また、図１１に示すように、除振対象物１０をアクチュエータ１３で支持し、除振対象物１０の振動を加速度センサ１１で検知して、その振動を打ち消すようにコントローラ１２でアクチュエータ１３を駆動する“アクティブ除振装置”も従来から使用されている。しかし、この装置では、低周波の振動まで感度良く検出できるサーボ型加速度センサを複数個（ｘ、ｙ、ｚ面に２個ずつ配置する場合は６個）用いる必要があるが、このセンサは高価であり、そのため、アクティブ除振装置は、パッシブ除振装置の１０倍程度のコストが掛かる。
【０００４】
本発明者等は、下記特許文献１において、バネによる支持機構と、ゼロパワー磁気浮上制御機構とを組み合わせて、地動外乱及び直動外乱による振動を除振する低コストの除振装置を提案している。
ゼロパワー磁気浮上制御機構は、図１２（ｂ）に示すように、電磁石２２と、これと対向するように浮上対象物２８に取り付けた永久磁石２１とを用いて磁気浮上を達成する機構である。永久磁石２１の吸引力と重力とがバランスして浮上している質量ｍの浮上対象物２８に質量Δｍが加わると、重力の増加に見合う吸引力の増加を得るために、電磁石２２への通電を増やして、永久磁石２１をさらに電磁石２２の側に引き付ける制御が行われる。
【０００５】
正の剛性を有する通常のバネは、図１２（ａ）に示すように、質量Δｍの増加により重力が増すと、長さが伸びる。これに対して、ゼロパワー磁気浮上制御機構は、質量Δｍの増加により重力が増すと、電磁石２２と永久磁石２１との距離が短くなり、負の剛性を有するバネとして見ることができる。
図１３に示すように、剛性がｋ１のバネとｋ２のバネとを直列接続した場合、合成バネの剛性ｋｃは次式のようになる。
ｋｃ＝ｋ１・ｋ２／（ｋ１＋ｋ２）
従って、ｋ１＝−ｋ２を満たすならば、｜ｋｃ｜＝＋∞とすることができる。
【０００６】
特許文献１の除振装置は、こうした発想の基に、図１４に示すように、正の剛性（ｋ１）のバネ２６と、負の剛性（−ｋ１）のバネとして作用するゼロパワー磁気浮上制御機構とを直列に組み合わせて、全体の剛性（ｋｃ）を無限大に設定し、直動外乱による除振テーブル２４の振動を抑制している。その結果、図１５（ａ）に示すように、除振テーブル２４に直動外乱が加えられると、図１５（ｂ）に示すように、ベース２５に対して、バネ２６に直結する中間台２３だけが動き、除振テーブル２４は動かない。
また、地動外乱による振動は、バネ２６の剛性（ｋ１）を小さい値に設定することで除くことができる。
【特許文献１】特開２００２−８１４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の除振装置は、直動外乱が大きい場合に、直動外乱に追従して振動を完全に抑制することができない（即ち、ゼロコンプライアンスが実現できない）という問題点がある。
図１６は、この除振装置の除振テーブル２４に種々の荷重を加え、そのときの中間台２３に対する除振テーブル２４の相対変位、ベース２５に対する中間台２３の変位、及びベース２５に対する除振テーブル２４−ベース２５間の変位を測定した結果を示している。図１６では、横軸に下向きの荷重の大きさをＮ（ニュートン）で示し、縦軸に上向きの変位の大きさをｍｍで示している。ベース２５に対する除振テーブル２４の変位は、中間台２３に対する除振テーブル２４の相対変位とベースに対する中間台の変位とを加えたものとなる。
【０００８】
この図１６から明らかなように、荷重が約６Ｎ以上になると、除振テーブル２４−ベース２５間の距離の変位は０から外れ、ゼロコンプライアンスが実現していない。これは、永久磁石の吸引力Ｆが、次式で示すように、ギャップ距離（Ｘ）の１／Ｘ2に比例することが原因している。
Ｆ＝μμ0Ｎ2ＳＩ2／Ｘ2 
ここで、μはギャップの比透磁率（空気の場合１）、μ0は真空透磁率、Ｎはコイル巻数、Ｓはギャップ断面積、Ｉは、永久磁石の起磁力から決まる等価電流を表す。ギャップがＸからＸ−ΔＸに変化したとすると、上式は、次のように表すことができる。
Ｆ＝μμ0Ｎ2ＳＩ2／（Ｘ−ΔＸ）2 
≒μμ0Ｎ2ＳＩ2／Ｘ2＋２（μμ0Ｎ2ＳＩ2／Ｘ3）ΔＸ
ここで、左辺第２項の係数２（μμ0Ｎ2ＳＩ2／Ｘ3）が負の剛性の大きさとなる。即ち、負の剛性の大きさは、ギャップの逆数の３乗に比例する。除振テーブル２４に下向きの加重を加えると、中間台２３−ベース２５間の距離は、加重に比例して短くなる（図１６中では、マイナスの変位で表している）。一方、ゼロパワー磁気浮上制御機構の電磁石２２と永久磁石２１とのギャップは小さくなり、負の剛性の大きさが大きくなるので、中間台２３に対する除振テーブル２４の相対変位の増え方は小さくなる。そのため、ベース２５に対する除振テーブル２４の変位が−側にずれる。
【０００９】
本発明は、こうした従来の問題点を解決するものであり、地動外乱及び直動外乱による振動の除振が可能であって、且つ、広い荷重範囲に渡ってゼロコンプライアンスを実現できる、低コストの除振装置を提供し、また、その除振方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の除振装置は、除振対象物を支持する支持機構が、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構と、第１の支持機構と直列に配置された受動型除振が可能な低剛性の第２の支持機構と、第２の支持機構の変位を測定する測定手段とを有し、第１の支持機構のアクチュエータの変位が、前記測定手段の測定結果に基づいて第２の支持機構の変位を相殺するように制御される。
そのため、地動外乱及び直動外乱による振動が発生しても、除振対象物の位置は変動しない。
【００１１】
また、本発明の除振装置では、第１の支持機構と第２の支持機構とを、第１の支持機構の上方に第２の支持機構が位置するように、垂直方向に直列に配置することができる。
このような配置にした場合、直動外乱によって生じる第２の支持機構の変位を速やかに検出できるため、直動外乱に対する応答を良好にする効果が得られる。
【００１２】
また、本発明の除振装置では、第１の支持機構と第２の支持機構とを、第２の支持機構の上方に第１の支持機構が位置するように、垂直方向に直列に配置することができる。
このような配置にした場合、アクチュエータの駆動する質量を除振テーブルだけに減らすことができるため、アクチュエータを小型にできるという効果が得られる。
【００１３】
また、本発明の除振装置では、第１の支持機構と第２の支持機構とを水平方向に直列に配置することができる。
こうした構成で、水平方向の振動の除振を行うことができる。
【００１４】
また、本発明の除振装置は、床に対してアクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構で支持された中間台と、該中間台に対して受動型除振が可能な低剛性の第２の支持機構で支持された除振テーブルと、第２の支持機構の変位を測定する測定手段と、この測定手段の測定結果に基づいて第２の支持機構の変位を相殺するように第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御する制御手段とを備えている。
この装置では、除振テーブルに対する地動外乱及び直動外乱が吸収され、除振テーブルに載置された物品には振動が伝わらない。特に、除振テーブルへの直動外乱によって生じる第２の支持機構の変位を速やかに検出することができるため、直動外乱に対して良好な応答性を有している。
【００１５】
また、本発明の除振装置は、床に対して受動型除振が可能な低剛性の第２の支持機構で支持された中間台と、該中間台に対してアクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構で支持された除振テーブルと、第２の支持機構の変位を測定する測定手段と、この測定手段の測定結果に基づいて第２の支持機構の変位を相殺するように第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御する制御手段とを備えている。
この装置では、除振テーブルに対する地動外乱及び直動外乱が吸収され、除振テーブルに載置された物品には振動が伝わらない。また、アクチュエータは、除振テーブルとその上に載置された物品とを駆動するだけでよいため、アクチュエータを小型にできる。
【００１６】
また、本発明の除振装置では、前記第１の支持機構のアクチュエータに、ボイスコイルモータまたは圧電アクチュエータを用い、前記第２の支持機構に、機械バネまたは空気バネを用いることができる。
【００１７】
また、本発明の除振方法は、アクチュエータを備えた能動型の第１の支持機構と、第１の支持機構と直列に配置された受動型除振が可能な低剛性の第２の支持機構とで除振対象物を支持することにより、除振対象物に作用する直動外乱を抑制し、床から除振対象物に伝わる地動外乱を遮断する除振方法であって、第２の支持機構の変位を測定し、その測定結果に基づいて、第２の支持機構の変位を相殺するように、第１の支持機構のアクチュエータの変位を制御する。
そのため、地動外乱及び直動外乱による振動が発生しても、除振対象物の位置は変動しない。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の除振装置は、地動外乱及び直動外乱による振動の除振が可能であり、また、広い荷重範囲に渡ってゼロコンプライアンスを実現することができ、高い信頼性を有している。また、この装置は低コストで製作することができる。
また、本発明の除振方法は、この除振装置を用いて、広い荷重範囲に渡るゼロコンプライアンスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施形態における除振装置は、図１に示すように、ベース３５と、中間台３３と、除振テーブル３４と、ベース３５上にあって中間台３３を支持する第１支持機構３１と、中間台３３上にあって除振テーブル３４を支持する第２支持機構３２とを備えている。
第２支持機構３２は、低剛性を有しており、除振テーブル３４に加わる直動外乱に応じて伸縮する。また、第２支持機構３２は、ベース３５を通じて伝播する地動外乱による振動を吸収し、その振動の除振テーブル３４への伝播を抑制する。
一方、第１支持機構３１は、アクチュエータを備えた能動型支持機構であり、除振テーブル３４−中間台３３間の距離の変位を相殺するようにアクチュエータが制御され、この制御に即時に対応できる速応性を備えている。
【００２０】
図２は、除振テーブル３４に直動外乱が加わった場合の第１支持機構３１及び第２支持機構３２の変位の様子を示している。図２（ａ）に示すように、第２支持機構３２が除振テーブル３４−中間台３３間の距離をｘ１に保ち、第１支持機構３１が中間台３３−ベース３５間の距離をｘ２に保っているとき、除振テーブル３４に直動外乱が加わり、図２（ｂ）に示すように、第２支持機構３２が縮んで、除振テーブル３４−中間台３３間の距離が（ｘ１−Δｘ）に変化したとする。
【００２１】
除振テーブル３４−中間台３３間の距離の変位は、例えば、機械的あるいは光学的なギャップセンサー等によって検出され、第１支持機構３１は、その検出値に基づいて、中間台３３−ベース３５間の距離を（ｘ２＋Δｘ）に保つように制御される。その結果、除振テーブル３４−ベース３５間の距離Ｌは、
Ｌ  ＝  （ｘ１−Δｘ）＋（ｘ２＋Δｘ）
＝  ｘ１＋ｘ２
となり、元の距離に保たれる（なお、ここでは、説明を簡単にするため、中間台３３の厚さを０と仮定している）。
【００２２】
このように、この除振装置では、図３に示すように、第２支持機構３２の変位情報が、第１支持機構３１のアクチュエータを制御するコントローラ４１に入力し、コントローラ４１は、第２支持機構３２の変位が相殺される変位を第１支持機構３１に与える制御信号を生成する。この制御信号は、増幅器４２で増幅されて第１支持機構３１に入力し、第１支持機構３１は、制御信号に従って変位する。その結果、第２支持機構３２の変位は、相殺される。
【００２３】
図４は、第１支持機構３１を制御する制御系の一例をブロックダイアグラムで示している。この制御系は、第１支持機構３１のアクチュエータを構成するＶＣＭ（Voice Coil Motor）４３と、ＶＣＭ４３の可動部の変位ｘを測定する歪みゲージセンサ４４と、歪みを電気信号に変換する歪みアンプ４５と、Ｉ−ＰＤ制御（比例微分先行型ＰＩＤ制御）の制御系を構築するＤＳＰ（Digital Signal Processor）４６と、ＤＳＰ４６から出力された電圧を電流に変換する増幅器５１とを備えている。
また、ＤＳＰ４６は、指令値ｅｉ（Ｖ）から入力信号を減算する減算器４９と、減算器４９の出力の積分動作を行う積分器４８と、入力信号の比例動作及び微分動作を行うＰＤ部４７と、積分器４８の出力からＰＤ部４７の出力を減算する減算器５０とを備えている。指令値ｅｉには、第２支持機構３２の変位を相殺する信号が与えられる。
【００２４】
ＶＣＭ４３における式は、ＶＣＭの伝達関数を示しており、ＫｉはＶＣＭ推力係数（Ｎ／Ａ）、ｍはＶＣＭの可動部の質量（ｋｇ）、ｋはＶＣＭ内のバネのバネ定数（Ｎ／ｍ）、ｓは変数である。歪みゲージセンサ４４のＣは、センサゲイン（με／ｍ）を示している。歪みアンプ４５のＫａは、歪みアンプゲイン（Ｖ／με）を示している。ＤＳＰ４６のＰｉ、Ｐｄ、Ｐｖは、積分ゲイン、比例ゲイン、微分ゲインを表している。また、増幅器５１のＫｂは、アンプゲイン（Ａ／Ｖ）を示している。
この制御系の制御パラメータを実験的に求めた後、相殺制御が実行される。
【００２５】
次に、この除振装置の特性について説明する。
この特性を測定するため、図５に示すように、ベース３５、第１支持機構３１、中間台３３、第２支持機構３２及び除振テーブル３４を水平方向に配置し、中間台３３及び除振テーブル３４を、地面と摩擦せずに移動できるようにリニアスライダ３６で支持した除振装置を使用した。図６は、実際に測定に使用した除振装置を示している。この装置では、第１支持機構３１をＶＣＭで構成するとともに、第２支持機構３２を、任意の剛性が得られるようにＶＣＭで構成している。図７は、第２支持機構３２のＶＣＭを制御する制御系を示している。この制御系は、図４の制御系に比べて、指令値ｅｉとして，第２支持機構の初期変位を指定する信号を入力している点、及び、ＤＳＰ４６でＰＤ制御の制御系を構築している点が相違している。
また、図６の装置では、外乱発生用のＶＣＭ３７を設置している。また、除振テーブル３４及び中間台３３の水平方向の変位を測定するため、板バネにひずみゲージを取り付けたギャップセンサー３８を、除振テーブル３４と中間台３３との間、及び、中間台３３とベース３５との間に配置している。
【００２６】
図８は、外乱発生用ＶＣＭ３７で除振テーブル３４に水平方向の荷重を加え、そのときの「除振テーブル３４−中間台３３間の距離の変位」「中間台３３−ベース３５間の距離の変位」及び「除振テーブル３４−ベース３５間の距離の変位」を測定した結果について示している。横軸には荷重をＮ（ニュートン）で示し、縦軸には変位の大きさをｍｍで示している。「除振テーブル３４−ベース３５間の距離の変位」は、「除振テーブル３４−中間台３３間の距離の変位」と「中間台３３−ベース３５間の距離の変位」とを加えたものとなる。
この図から明らかなように、除振テーブル３４−ベース３５間の距離の変位は、荷重の広い範囲に渡って略０であり、ゼロコンプライアンスが実現している。
【００２７】
このように、この除振装置は、地動外乱及び直動外乱による振動の除振が可能であり、また、広い荷重範囲に渡ってゼロコンプライアンスを実現できる。また、高価なサーボ型加速度センサを必要としないので、低コストで製造することができる。
【００２８】
なお、ここでは、第１支持機構３１をＶＣＭで構成する例について示したが、その他のアクチュエータ（例えば、圧電アクチュエータ等）であっても、変位相殺制御に適応できる速応性を備えたものであれば、第１支持機構３１としての使用が可能である。また、第２支持機構３２には、低剛性を有する機械バネや空気バネ等を使用することもできる。
また、この除振装置は、垂直に設置するだけでなく、図５に示すように、水平に配置して、水平方向の振動の抑制に利用することもできる。
【００２９】
また、ここでは、ベース３５と中間台３３との間に、アクチュエータを備えた第１支持機構３１を配置し、中間台３３と除振テーブル３４との間に低剛性の第２支持機構３２を配置する場合について説明したが、それを逆にして、図９に示すように、第２支持機構３２をベース３５と中間台３３との間に、第１支持機構３１を中間台３３と除振テーブル３４との間に配置しても良い。このような配置とすることによってアクチュエータの駆動する質量を除振テーブルだけにできるので、アクチュエータを小型にできるという効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の除振装置は、半導体製造システム、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の超精密計測機器、レーザ加工やナノスケール加工を行う超精密加工機、あるいは、バイオのマイクロマニュピレーションやナノテクノロジーを扱う最先端分野の機器等、振動を嫌う各種装置の除振のために広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態における除振装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施形態における除振装置の変位相殺の動作を説明する図
【図３】本発明の実施形態における除振装置の変位相殺制御系を示す図
【図４】本発明の実施形態における除振装置の制御系のブロックダイアグラムを示す図
【図５】本発明の実施形態における水平に配置した除振装置を示す図
【図６】本発明の実施形態における除振装置の除振特性の測定に用いた装置を示す図
【図７】測定装置のＶＣＭを制御する制御系のブロックダイアグラムを示す図
【図８】本発明の実施形態における除振装置の除振特性を示す図
【図９】本発明の実施形態における除振装置の他の変位相殺制御系を示す図
【図１０】地動外乱及び直動外乱を説明する図
【図１１】従来のアクティブ除振装置の構成を示す図
【図１２】ゼロパワー磁気浮上制御機構の説明図
【図１３】従来の除振装置の除振原理を説明する図
【図１４】従来の除振装置の構成を示す図
【図１５】従来の除振装置の除振動作を説明する図
【図１６】従来の除振装置の除振特性を示す図
【符号の説明】
【００３２】
１０  除振対象物
１１  加速度センサ
１２  コントローラ
１３  アクチュエータ
２１  永久磁石
２２  電磁石
２３  中間台
２４  除振テーブル
２５  ベース
２６  バネ
２８  浮上対象物
３１  第１支持機構
３２  第２支持機構
３３  中間台
３４  除振テーブル
３５  ベース
３６  リニアスライダ
４１  コントローラ
４２  増幅器
４３  ＶＣＭ
４４  歪みゲージセンサ
４５  歪みアンプ
４６  ＤＳＰ
４７  ＰＤ部
４８  積分器
４９  減算器
５０  減算器
５１  増幅器
【国際調査報告】
2007007580.tif 000019
2007007580.tif 000020