(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備え、
前記制御器は、前記除振部に剛性を付与したときに当該除振部の剛体運動の固有振動モードが変化しないように、前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項を設定することを特徴とする除振装置。
【請求項２】
構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備え、
前記制御器は、前記除振部に剛性を付与したときに当該除振部の剛体運動の固有振動モードが変化しないように、前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項を設定することを特徴とする除振装置。
【請求項３】
構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備え、
前記制御器は、前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項を設定することで、前記除振部に剛性を付与したときの当該除振部の剛体運動の固有振動モードを調整することを特徴とする除振装置。
【請求項４】
構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備え、
前記制御器は、前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項を設定することで、前記除振部に剛性を付与したときの当該除振部の剛体運動の固有振動モードを調整することを特徴とする除振装置。
【請求項５】
前記制御器は、前記変位比例項と前記加速度比例項との対応テーブルを予め保持し、前記対応テーブルに従って前記フィードバックループを動作させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の除振装置。
【請求項６】
構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備える除振装置の制御方法であって、
前記除振部に剛性を付与したときに当該除振部の剛体運動の固有振動モードが変化しないように、前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項を設定することを特徴とする除振装置の制御方法。
【請求項７】
構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備える除振装置の制御方法であって、
前記除振部に剛性を付与したときに当該除振部の剛体運動の固有振動モードが変化しないように、前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項を設定することを特徴とする除振装置の制御方法。
【請求項８】
構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備える除振装置の制御方法であって、
前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項を設定することで、前記除振部に剛性を付与したときの当該除振部の剛体運動の固有振動モードを調整することを特徴とする除振装置の制御方法。
【請求項９】
構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備える除振装置の制御方法であって、
前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項を設定することで、前記除振部に剛性を付与したときの当該除振部の剛体運動の固有振動モードを調整することを特徴とする除振装置の制御方法。
【請求項１０】
前記変位比例項と前記加速度比例項との対応テーブルを予め保持し、前記対応テーブルに従って前記フィードバックループを動作させることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の除振装置の制御方法。
【請求項１１】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の除振装置を有し、半導体基板上にパターンを露光する半導体製造工程に適用される露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル等の表示素子、磁気ヘッド等の検出素子、或いはＣＣＤ等の撮像素子などの各種デバイスの製造に利用される露光装置露光装置などの構造物の振動を低減する除振装置及びその制御方法、並びに該除振装置を有する露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡や半導体製造工程に適用される露光装置などの精密機器は外部環境からの振動伝達や外部への振動伝達を極力低減・遮断する必要があるため、振動を低減・遮断する除振装置を（に）搭載することが必須となっている。特に、露光装置では露光用ＸＹステージが高速かつ連続的に移動するので、除振装置には外部振動に対する除振性能と搭載機器自身の動作により発生する内部振動に対する制振性能の双方を高精度に実現することが求められる。
【０００３】
このような要求に対して、近年ではアクティブ方式の除振装置が実用化されており、振動センサの検出信号に応じてアクチュエータを駆動することで効果的な振動制御が可能となっている。
【０００４】
これに対して、受動的な除振装置は、ばねおよびダンパ特性を有する支持機構だけで構成されており、除振性能と制振性能との間にトレードオフが存在する。受動的な除振装置において除振性能を優先するならば支持機構に低剛性および低粘性が要求されるが、この要求は制振性能を逆に劣化させてしまうことになる。
【０００５】
アクティブ方式の除振装置の利点は除振性能と制振性能の両立が可能なことである。振動センサとアクチュエータによって空間上の絶対静止点を支点としたスカイフックの粘性および剛性を実現できるからである。
【０００６】
アクティブ方式の除振装置は、精密機器を搭載する除振台に振動センサを設置して、振動センサの検出信号をアクチュエータにフィードバックすることを特徴としている。特開２０００―２７４４８２号公報（能動的除振装置、露光装置及び方法並びにデバイス製造方法）に開示された除振装置は、除振台に対してスカイフックの粘性と共にスカイフックの剛性を付与するようなフィードバックループを採用している。同公報によると、除振装置は除振台を支持する空気ばねであるアクチュエータと除振台の振動を計測する振動計測部を有する。空気ばねであるアクチュエータのような剛性要素で除振台を支持することにより設置床から除振台への振動伝達を遮断する。また、加速度と速度のフィードバックループを備えており、振動計測部の出力に基づく加速度と速度を空気ばねであるアクチュエータにフィードバックして除振台にスカイフックの粘性と剛性を付与する。スカイフックとは空間上の絶対静止点を支点にするという意味であり、スカイフックの粘性と剛性は除振台を絶対静止させる効果がある。剛性は変位を抑制し、粘性は残留振動を速やかに減衰させる効果を持つ。
【０００７】
効果的な振動制御を行なうためには、同公報が開示したように、スカイフックの粘性と剛性の双方を備えた除振装置が望ましい。従来にみられる除振装置はフィードバックループでスカイフックの粘性を実現するにとどまるものがほとんどである。振動制御の第一歩は残留振動を減衰させることであり、スカイフックの粘性実現という最低限の機能を備えるだけの除振装置が多く存在している。
【０００８】
しかしながら、粘性実現だけでは除振装置の持つ能力を十分に発揮しているとは言い難く、スカイフックの剛性を実現することが、より高度な振動制御を行なう上で望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の除振装置でスカイフックの剛性を実現したものが存在しない理由の一つは、上述した特開２０００―２７４４８２号公報で考察されているように、従来から振動制御の分野では加速度センサが振動計測のために当然のように使用されてきたことである。加速度センサは、別名で傾斜センサと称せられることからもわかるように、直流から高周波成分まで検出可能である。しかしながら、実際に加速度センサを用いて振動を計測した場合、極低周波はほとんど観測されない。これに対して、速度の物理量は加速度の１階積分であるから、速度センサは加速度センサと比べて実質的に低周波ほど感度が高い。すなわち、低周波の振動計測には加速度センサよりも速度センサの方が有利である。スカイフックの剛性は制御帯域に低周波領域を含むため、同公報は速度センサを使用することで効果的なスカイフックの剛性を実現している。
【００１０】
ところで、スカイフックの剛性の実現を阻んできたもう一つの技術的な原因が存在する。それは剛性の付与に伴なう固有振動モードの変化である。除振台の剛体運動には運動自由度と等しい数の固有振動モードが存在する。動力学的に考察すると、除振台は剛体要素、それを支持する空気ばねは剛性要素（ばね要素）にモデル化される。周知のように、剛体−ばね系には剛体の運動自由度と等しい数の固有振動モードが存在する。よって、除振台の剛体運動は剛体−ばね系に特有な現象である固有振動モードを有する。
【００１１】
上記固有振動モードでの振動数を固有振動数という。また、固有振動の方向、様子をモードシェープという。振動数と方向の類似した外乱振動が加わったとき、系に励起される振動は固有振動に変換される。すなわち、除振台には雑多な振動が発生するわけではなく、主として励起されるのは固有振動モードにおいてである。
【００１２】
スカイフックの粘性は固有振動モードに減衰を付与するように作用する。留意すべきは、粘性の有無によって固有振動モードは不変である点である。固有振動モードは系の慣性と剛性で決まり、粘性は関与しないからである。粘性を実現するフィードバックループが適切なものであれば全ての固有振動モードに減衰を付与することができる。
【００１３】
ところが、スカイフックの剛性は固有振動モードに影響を与える。スカイフックの剛性は空間を支点とした新たな剛性を除振台に付与するので、その有無により固有振動モードが変化する。固有振動モードの変化は以下の理由によって避けるべき現象である。
【００１４】
まず、除振装置のような機械構造物を設計する場合、固有振動モードは基本的な設計仕様であることが挙げられる。可動機構の可動方向と範囲は固有振動モードに基づいて設計される。振動センサとアクチュエータの配置も同様であって、固有振動モードの可観測性と可制御性を考慮して配置が決定される。除振装置の機械的構造は固有振動モードに基づいて設計され、フィードバックループの有無に関わらず固有振動モードが不変であることが望ましい。
【００１５】
次に、除振装置の性能評価に支障があることが挙げられる。除振装置の第一義的な役割は設置床の振動伝達を遮断することであり、床振動の伝達率が性能評価の一つの指針となる。床振動の伝達率の測定は、通常、水平２方向と鉛直方向に対して、除振台と設置床の双方に振動センサを設置して行なわれる。このように方向が感覚的に明快であること、また振動センサが基本的に水平並進あるいは鉛直並進の振動を検出することが、水平２方向及び鉛直方向で測定を行う理由である。通常、除振台は水平２方向と鉛直方向の並進に相当する固有振動モードを有する。このような固有振動モードが存在することから、設置床の振動と除振台の振動を振動センサで測定すると両者は相関が高い。よって、床振動の伝達率を高精度に測定することができる。ところが、スカイフックの剛性付与が床振動の伝達率の測定精度劣化を引き起こす場合があり得る。剛性付与によって、固有振動モードが水平２方向と鉛直方向の並進とは異なる方向に変化することがあるからである。従って、除振装置の性能評価を考えても固有振動モードは不変であることが望まれる。
【００１６】
また、固有振動モードが除振装置の基本的な設計仕様であるにも関わらず、設計とかけ離れた不適切な固有振動モードが実現されてしまうことがある。除振装置の構造物の特性ばらつきや除振台に搭載する精密機器の形状と重量によって、固有振動モードは設計時と違ったものになることがあり、これでは除振装置の可動機構のスムーズな動作や、振動センサとアクチュエータの配置に不具合が生じてしまう。このような場合は、フィードバックループの動作によって固有振動モードを望ましいものに整形することが望ましい。
【００１７】
本発明は上記事情に鑑みてなされ、その目的は、フィードバックループで除振台にスカイフックの剛性を付与しても、除振台の剛体運動の固有振動モードを不変にできる除振装置を提供することである。
【００１８】
また、本発明の他の目的は、除振台の剛体運動の固有振動モードを任意に調整できる除振装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の除振装置及びその制御方法は、【請求項１】  構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備え、前記除振部に剛性を付与したときに当該除振部の剛体運動の固有振動モードが変化しないように、前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項を設定する。
【００２０】
また、本発明の除振装置及びその制御方法は、構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備え、前記除振部に剛性を付与したときに当該除振部の剛体運動の固有振動モードが変化しないように、前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項を設定する。
【００２１】
これによると、精密機器などを搭載する除振部は支持部としての空気ばねに支持される。リニアモータなどのアクチュエータは除振部に制振力を付与する。空気ばねは除振部を支持する支持脚であると同時に、その内圧を制御することにより除振部に制振力を付与するアクチュエータとしての機能を有する。振動センサは除振部の振動を検出する。ここでいう振動とは、空間に対する除振部の絶対的な加速度と速度である。振動センサの出力に応じてアクチュエータである空気ばね、リニアモータなどを駆動することによって、除振部にスカイフックの剛性と粘性、そして慣性を付与する。一般に除振部に剛性を付与すると、除振部の剛体運動の固有振動モードが変化するが、この固有振動モードを不変に保つように慣性が付与される。慣性の付与は、除振部および空気ばねの物理パラメータと剛性の付与に応じて行なわれる。なお、ここでいう除振部および空気ばねの物理パラメータとは、除振部の質量、慣性モーメント、慣性乗積、空気ばねの剛性などを意味する。
【００２２】
また、本発明の除振装置及びその制御方法は、構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備え、前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項を設定することで、前記除振部に剛性を付与したときの当該除振部の剛体運動の固有振動モードを調整する。
【００２３】
また、本発明の除振装置及びその制御方法は、構造物の振動を低減する除振部と、前記除振部を支持する支持部と、前記除振部に制振力を付与するアクチュエータと、前記除振部の変位を検出する位置センサと、前記除振部の速度及び加速度を検出する振動センサと、前記位置センサおよび前記振動センサの検出結果に応じて前記支持部と前記アクチュエータを駆動して、前記除振部を目標位置に制御すると共に、前記除振部の変位、速度、及び加速度に比例した制振力を前記除振部に作用させることにより当該除振部に剛性、粘性、及び慣性を付与するように制御するフィードバックループを有する制御器とを備え、前記除振部および前記支持部の物理パラメータと前記フィードバックループにおける前記慣性に関する加速度比例項とに応じて前記フィードバックループにおける前記剛性に関する変位比例項を設定することで、前記除振部に剛性を付与したときの当該除振部の剛体運動の固有振動モードを調整する。
【００２４】
これによると、除振部の剛体運動の固有振動モードを任意に調整するように慣性が付与される。慣性の付与は、除振部および支持部としての空気ばねの物理パラメータと剛性の付与に応じて行なわれる。
【００２５】
また、好ましくは、前記変位比例項と前記加速度比例項との対応テーブルを予め保持し、前記対応テーブルに従って前記フィードバックループを動作させる。
【００２６】
また、本発明の露光装置は上記除振装置を有する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３５】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【００３６】
除振台の剛体運動は本来６自由度を有するが、理解を容易にするため、まず１自由度の除振装置として、フィードバックループの動作でいかにして除振台に剛性、粘性、慣性が付与されるかを説明する。
【００３７】
図５に１自由度の除振装置を対象とした場合におけるフィードバックループのブロック線図を示す。同図において、１／（ｍｓ2＋ｄｓ＋ｋ）で示されるブロックは、除振台の変位／力応答の動特性を示す。同ブロックのｓはラプラス演算子、ｍは除振台の質量、ｄは除振台の支持機構の粘性、ｋは除振台の支持機構である空気ばねの剛性を示す。また、ｘは除振台の変位、ｆは除振台に作用する外乱力である。その他のブロックはフィードバックループを示し、ｆからｘまでの伝達関数は次式のようになる。
【００３８】
ｘ／ｆ＝１／｛（ｍ＋ｍ’）ｓ2＋（ｄ＋ｄ’）ｓ＋（ｋ＋ｋ’）｝・・・（１）
上記（１）式において、ｍ'、ｄ'、ｋ'はフィードバックループにより実現される効果であり、それぞれ、ｍ'は慣性、ｄ'は粘性、ｋ'は剛性を示す。
【００３９】
フィードバックループは（１）式の右辺におけるｓの各次数の項を適切に操作するように動作する。図５において除振台の加速度ｓ2ｘにかかるフィードバックループは加速度ｓ2ｘに比例した制振力を除振台に付与するものであり、ループのゲインであるｍ'に等しい慣性を除振台に付与するように機能する。なお、ここでいう慣性の付与とは、除振台の慣性があたかも増大するかのような動力学的挙動を示す効果をいう。図５のような１自由度モデルの場合、慣性を示す項は（１）式の右辺における（ｍ＋ｍ'）ｓ2の項であり、慣性の付与とは除振台の質量ｍがあたかもｍ＋ｍ'に増大するかのような動力学的挙動を示す効果をいう。本実施形態においては、加速度信号をアクチュエータであるリニアモータにフィードバックすることで慣性付与を実現する。
【００４０】
除振台の速度ｓｘにかかるフィードバックループは２本に分岐している。一方は速度ｓｘに比例した制振力を除振台に付与するものであり、ループのゲインであるｄ'に等しい粘性を除振台に付与するように機能する。本実施形態においては、速度信号をリニアモータにフィードバックすることで粘性を実現している。他方は速度ｓｘの１階積分で制振力を発生するものであり、ループゲインであるｋ'に等しい剛性を除振台に付与するように機能する。図５において１／ｓのブロックが１階積分を示す。本実施形態においては、速度信号を空気ばねにフィードバックする。空気ばね自身の積分特性により剛性付与が実現する。図５においては１／ｓのブロックが空気ばねの積分特性を示している。フィードバックループのゲインを調整することによって、除振台に付与する慣性、粘性、剛性を適切なものに設定することが可能である。
【００４１】
以上のように、１自由度の除振装置を対象とした場合に、いかにしてフィードバックループが剛性、粘性、慣性を実現するのかを説明したが、固有振動モードが問題となるのは多自由度系の場合である。当然、一般の除振装置は多自由度系である。本実施形態はこのような多自由度系の除振装置を対象とする。
【００４２】
以下、本発明に係る除振装置の実施形態について詳細に説明する。
【００４３】
図１は本発明に係る実施形態の除振装置の機械的構造を示す図である。
【００４４】
図１に示すように、ＸＹＺ座標系はＸ軸が装置の左右方向、Ｙ軸が装置の奥行き方向、Ｚ軸が鉛直方向と一致するように設定されている。
【００４５】
除振台１３は直方体の形状をなしており、四隅にそれぞれ空気ばねＳＵ、アクチュエータＬＭなどを備えている。以下、添え字−１Ｖ、−１Ｈをつけた図面左手前の構成要素について説明する。
【００４６】
振動センサＳＮ−１Ｖ、ＳＮ−１Ｈは速度、加速度の２出力を有するサーボ型受信器である。一般に振動計測の目的では加速度センサが用いられるが、本実施形態においては速度と加速度を同時に出力可能なサーボ型受信器を採用する。これは従来から広く用いられてきたサーボ型加速度センサとほぼ同様な原理で動作するものであるが、速度を直接に測定できる。振動制御の基本である粘性付与は速度に関わる物理現象であり、加速度信号から演算処理によって速度を求めなくとも、速度を直接に測定できることはメリットである。
【００４７】
サーボ型受信器の詳細は実公平６−２８６９８（サーボ型受信器）に開示されているので、以下では概略構造について説明する。
【００４８】
図７にサーボ型受信器の概略構造を示す。振子２６と可動部２７は一体化されており振動検出方向に可動である。振子２６は支持ばね２５で支持されるとともに減衰器２３により粘性を付与される。変位検出器２４は振動検出方向における振子２６の変位を検出する。変位検出器２４の出力に対して増幅器２０と微分器２１を介して可動コイル２７ａに電流供給することにより、可動コイル２７ａとコア３０および永久磁石３０ａの作用で振子２６に復元力を付与する。速度出力は速度検出端子２８に現れる。可動コイル２７ａに流れる電流は電流検出抵抗２２で検出され、加速度検出端子２９に加速度出力が現れる。
【００４９】
図１に戻り、再び振動センサＳＮ−１Ｖ、ＳＮ−１Ｈの動作について説明する。
【００５０】
振動センサＳＮ−１Ｖは除振台１３の鉛直方向の加速度と速度を検出する。同様にして振動センサＳＮ−１Ｈは水平Ｙ方向に取り付けられており除振台１３の水平Ｙ方向の加速度と速度を検出する。振動センサＳＮ−１Ｖ、ＳＮ−１Ｈが検出する加速度と速度は空間に対する絶対加速度と絶対速度である。振動センサＳＮ−１Ｖ、ＳＮ−１Ｈの検出信号をアクチュエータにフィードバックしてスカイフックの粘性と剛性を実現している。
【００５１】
なお、本発明は、振動センサの信号を利用して除振台に剛性と慣性を付与した上で、さらに、いかなる慣性の付与が固有振動モードを不変に保つために有効であるかを示すものである。よって、本実施形態は、振動センサＳＮ−１Ｖ、ＳＮ−１Ｈとしてサーボ型受信器を使用することに限定されるものではなく、通常使用される加速度センサを使用して、センサ信号の１階積分で速度信号を得てもよい。
【００５２】
空気ばねＳＵ−１Ｖは除振台１３を鉛直方向に支持する。空気ばねの特性である振動遮断性により設置床振動の除振台１３に対する伝達を遮断している。また、空気ばねＳＵ−１Ｖは支持脚であると同時に除振台１３に制振力を付与するアクチュエータの役割を担う。空気ばねＳＵ−１Ｖの内圧をアクティブに制御することで制振力を発生する。この目的のため、空気ばねＳＵ−１Ｖは空気弁ＡＶ−１Ｖを備える。空気弁ＡＶ−１Ｖは圧力制御型の空気弁であり、入力信号に応じて空気ばねＳＵ−１Ｖの内圧を制御する。一般に空気ばねＳＵ−１Ｖと空気弁ＡＶ−１Ｖを組み合わせた空気圧アクチュエータは、空気弁ＡＶ−１Ｖへの入力信号に対して積分で制振力を発生する。フィードバックループに組み込むアクチュエータとして使用した場合、加速度信号を空気弁ＡＶ−１Ｖにフィードバックすれば除振台１３に粘性を付与する。また、速度信号をフィードバックすれば剛性を付与する。
【００５３】
空気ばねＳＵ−１Ｖは除振台１３のような大重量を支持するのに十分な推力を発生するため、支持脚として広く用いられる。また、振動をアクティブに制御するためのアクチュエータとしては、積分特性を有するため振動センサの信号処理が容易であるという特徴がある。すなわち、振動センサの出力に基づく加速度信号に対して微分、積分などの複雑な演算を施すことなくスカイフックの粘性と剛性を実現できる。
【００５４】
空気ばねＳＵ−１Ｈは水平Ｙ方向に除振台１３を支持する。振動遮断特性を有すること、除振台１３へ制振力を付与するアクチュエータとして使用されることは、空気ばねＳＵ−１Ｖの場合と全く同様である。
【００５５】
リニアモータＬＭ−１Ｖは除振台１３に対して鉛直方向の制振力を付与するアクチュエータである。リニアモータＬＭ−１Ｖの動特性は除振台１３の剛体運動の固有振動数と比較して十分高周波まで伸びている。よって、フィードバックループに組み込むアクチュエータとして使用した場合、速度信号をフィードバックすると除振台１３に粘性を付与する。また、加速度信号をフィードバックすると慣性を付与する。リニアモータＬＭ−１Ｈは除振台１３に対して水平Ｙ方向の制振力を付与するアクチュエータである。アクチュエータしての動作はリニアモータＬＭ−１Ｖの場合と同様である。
【００５６】
位置センサＰＳ−１Ｖは除振台１３の鉛直方向の位置を検出する。除振台１３を所定の位置に保持するための位置検出手段として使用される。位置センサＰＳ−１Ｖの信号は位置目標値と比較演算されたのち、適切な補償手段を経て空気ばねにフィードバックされる。このような位置のフィードバックループの動作で除振台１３は所定の位置に保持される。位置センサＰＳ−１Ｈは除振台１３の水平Ｙ方向の位置を検出する。動作は位置センサＰＳ−１Ｖの場合と同様である。
【００５７】
このほかに、添字として−２Ｖ、−３Ｖ、−４Ｖ、を付した要素は鉛直方向に作用をもつ要素であり、−２Ｈ、−３Ｈ、−４Ｈは水平方向に作用を持つ要素を示す。ただし、水平方向の要素で−１Ｈと−３ＨはＹ方向、−２Ｈと−４ＨはＸ方向に作用を持つ。
【００５８】
アクチュエータである空気ばねＳＵとリニアモータＬＭは除振台１３の四隅にそれぞれ配置される。ただし、振動センサＳＮと位置センサＰＳは添字として−１Ｖ、−１Ｈ、−２Ｖ、−２Ｈ、−３Ｖ、−３Ｈを付した６個の要素だけで構成される。除振台１３の剛体運動は６自由度を有しており、全ての運動自由度を測定するためには最低６個のセンサがあればよいからである。
【００５９】
次に、フィードバックループの構成について説明する。
【００６０】
図２は本発明に係る実施形態の除振装置を制御する制御器のフィードバックループを示す図である。
【００６１】
除振台１３の剛体運動はＸＹＺ座標系を基準に考えると各軸方向並進Ｘ、Ｙ、Ｚと各軸まわり回転θｘ、θｙ、θｚで合計６つの運動モードに分解される。フィードバックループはこれら運動モードごとに構成される。
【００６２】
位置センサＰＳがそれぞれ出力する位置信号（ＰＳ−１Ｖ、ＰＳ−２Ｖ、ＰＳ−３Ｖ、ＰＳ−１Ｈ、ＰＳ−２Ｈ、ＰＳ−３Ｈ）は、位置目標発生器１２が出力する所定の目標値（Ｒ１Ｖ、Ｒ２Ｖ、Ｒ３Ｖ、Ｒ１Ｈ、Ｒ２Ｈ、Ｒ３Ｈ）と比較減算されて、各位置センサに関する偏差信号（Ｅ１Ｖ、Ｅ２Ｖ、Ｅ３Ｖ、Ｅ１Ｈ、Ｅ２Ｈ、Ｅ３Ｈ）に変換される。偏差に関する運動モード抽出演算器１はこれらを運動モードの偏差信号（Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ、Ｅθｘ、Ｅθｙ、Ｅθｚ）に変換する演算器である。なお、Ｅｘ、Ｅｙ、ＥｚはそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸方向並進の偏差、Ｅθｘ、Ｅθｙ、ＥθｚはそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸まわり回転の偏差を示す。
【００６３】
振動センサＳＮ−１Ｖ、ＳＮ−１Ｈ、ＳＮ−２Ｖ、ＳＮ−２Ｈ、ＳＮ−３Ｖ、ＳＮ−３Ｈは速度信号および加速度信号を出力する。振動センサＳＮが出力する速度信号（ＶＳ−１Ｖ、ＶＳ−１Ｈ、ＶＳ−２Ｖ、ＶＳ−２Ｈ、ＶＳ−３Ｖ、ＶＳ−３Ｈ）は速度に関する運動モード抽出演算器２により運動モードの速度信号（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ、Ｖθｘ、Ｖθｙ、Ｖθｚ）に変換される。また、振動センサＳＮが出力する加速度信号（ＡＳ−１Ｖ、ＡＳ−１Ｈ、ＡＳ−２Ｖ、ＡＳ−２Ｈ、ＡＳ−３Ｖ、ＡＳ−３Ｈ）は加速度に関する運動モード抽出演算器３により運動モードの加速度信号（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ、Ａθｘ、Ａθｙ、Ａθｚ）に変換される。
【００６４】
フィードバックループの構成は、運動モードの偏差信号、速度信号、加速度信号それぞれに対して適切な補償を施したのち、運動モードの制振力を除振台１３に付与するものである。
【００６５】
まず、アクチュエータに空気ばねＳＵを使用したフィードバックループについて説明する。
【００６６】
空気ばねＳＵを使用したフィードバックループは位置の制御とスカイフックの剛性の実現を行なう。偏差信号（Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ、Ｅθｘ、Ｅθｙ、Ｅθｚ）はそれぞれ運動モードごとにＰＩ補償器７に導かれる。なお、ＰＩのＰは比例動作、Ｉは積分動作を意味する。比例動作は主として応答性の改善に、また、積分動作は偏差信号をゼロとするように機能する。ＰＩ補償器７の動作で偏差信号はゼロとなるように位置の制御がなされる。よって、除振台１３は所定の位置に保持される。剛性に関するゲイン補償器４はそれぞれ速度信号（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ、Ｖθｘ、Ｖθｙ、Ｖθｚ）を導いて運動モードごとにスカイフックの剛性を付与するように機能する。空気ばねＳＵに関する運動モード分配演算器８はゲイン補償器４の出力の符号反転とＰＩ補償器７の出力との和を空気弁ＡＶの駆動信号に変換する。電力増幅器１０は運動モード分配演算器８の出力に応じて空気弁ＡＶを駆動する。空気弁ＡＶは空気ばねＳＵの内圧を制御する。空気ばねＳＵが発生する制振力は除振台１３に対して位置を一定に保持することとスカイフックの剛性を付与するように作用する。以上で空気ばねＳＵをアクチュエータとしたフィードバックループが構成される。空気ばねＳＵは積分特性を有するので、速度信号にゲイン補償器４を作用させて空気ばねＳＵにフィードバックすればスカイフックの剛性が実現する。
【００６７】
次に、リニアモータＬＭを使用したフィードバックループについて説明する。粘性に関するゲイン補償器５はそれぞれ速度信号（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ、Ｖθｘ、Ｖθｙ、Ｖθｚ）を導いて運動モードごとにスカイフックの粘性を付与するように機能する。ゲイン補償行列６は６入力６出力のゲイン行列であって、加速度信号（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ、Ａθｘ、Ａθｙ、Ａθｚ）を導いて除振台１３に慣性を付与するように機能する。慣性の付与とは除振台１３の慣性があたかも増大するかのような動力学的挙動を示す効果である。フィードバックループがない場合は、慣性は除振台１３の質量、慣性モーメント、慣性乗積で定まる。リニアモータに関する運動モード分配演算器９はゲイン補償器５の出力の符号反転とゲイン補償行列６の出力の符号反転との和をリニアモータＬＭの駆動信号に変換する。電力増幅器１１は運動モード分配演算器９の出力に応じてリニアモータＬＭを駆動する。リニアモータＬＭが発生する制振力は除振台１３に対してスカイフックの粘性と慣性を付与するように作用する。以上でリニアモータＬＭをアクチュエータとしたフィードバックループが構成される。
【００６８】
なお、剛性に関するゲイン補償器４と粘性に関するゲイン補償器５は６つの運動モードごとに作用するものであったが、ゲイン補償行列６は６入力６出力で計３６要素を有するマトリクス形式である。本発明は、スカイフックの剛性と慣性の付与で除振台１３の剛体運動の固有振動モードが不変となるように、適切な慣性付与を実現することである。このため、加速度信号（Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ、Ａθｘ、Ａθｙ、Ａθｚ）を導く補償器はマトリクス形式となっている。ゲイン補償行列６の設計手段は数式を用いてのちに詳しく説明する。
【００６９】
次に、除振台１３の剛体運動の固有振動モードについて説明する。
【００７０】
除振台１３は四隅を空気ばねＳＵのような剛性要素に支持されているため、除振台１３の剛体運動には、いわゆる、剛体−ばね系に特有な固有振動モードが存在する。まずフィードバックを行なわない状態で、どのような固有振動モードが存在するのかを示す。次いで、スカイフックの剛性を付与することで固有振動モードが変化することを示す。本発明は、繰り返し述べているように、慣性付与の効果によってこのような固有振動モードの変化を防ぐことである。
【００７１】
図３はフィードバックを行なわない状態における除振装置の動力学的モデルである。除振台１３は剛体要素、空気ばねＳＵは除振台１３の下部四隅を支持する剛性要素にモデル化される。鉛直Ｚ方向は空気ばねＳＵ−１Ｖ、ＳＵ−２Ｖ、ＳＵ−３Ｖ、ＳＵ−４Ｖの４本の剛性要素で支持される。水平Ｘ方向は空気ばねＳＵ−２Ｈ、ＳＵ−４Ｈの２本、水平Ｙ方向は空気ばねＳＵ−１Ｈ、ＳＵ−３Ｈの２本で支持される。振動センサＳＮ、位置センサＰＳ，リニアモータＬＭはフィードバックループを構成する際に必要な要素であるから、図３のモデルでは排除されている。
【００７２】
除振台１３の運動方程式は次のようである。
【００７３】
Ｍｄ2Ｘ／ｄｔ2＋ＫＸ＝０・・・（２）
Ｘ＝［ｘ ｙ ｚ θｘ θｙ θｚ］T・・・（３）
Ｘはｘ、ｙ、ｚの並進変位とθｘ、θｙ、θｚの回転変位を示す運動モードの変位ベクトルである。Ｍは慣性行列であり除振台１３の質量、慣性モーメント、慣性乗積で定まる定数行列である。Ｋは剛性行列であり空気ばねＳＵの剛性と配置によって定まる定数行列である。固有振動モードはＭとＫによって決まる。周知のように、行列Ｍ-1Ｋの固有値の平方根は固有振動数であり、行列Ｍ-1Ｋの固有ベクトルはモードシェープに相当する。
【００７４】
図３に示したモデルのモードシェープとしては、周知のように、図４（ａ）−（ｄ）に示すものの存在が知られている。除振台１３の運動をＸＺ平面内で考えると、低心ローリングと高心ローリングの２つの固有振動モードが存在する。通常、高心ローリングは除振台１３の内部に回転中心を持つ。高心ローリングをＸ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙ、θｚの運動モードで成分表示した場合、θｙ成分が支配的である。よって、図２に示した運動モードのフィードバックループにおいて、高心ローリングはθｙモードの振動として観測、制御される。また、通常、低心ローリングは除振台１３より下方に回転中心を持った、いわゆる倒立振子のような振動である。微小振幅に限定すれば低心ローリングはＸ軸方向並進の振動とみなせる。よって、低心ローリングはＸモードの振動として観測、制御される。
【００７５】
次に、ＹＺ平面内の運動を考えると、ＸＺ平面の場合と同様にして、低心ピッチングと高心ピッチングの固有振動モードが存在する。通常、高心ピッチングは除振台１３の内部に回転中心を持ち、低心ピッチングは除振台１３より下方に回転中心を持つ。よって、高心ピッチングはθｘモードの振動として、また低心ピッチングはＹモードの振動として観測、制御される。
【００７６】
そして、ＸＹ平面内においては、除振台１３の内部ほぼ中央に回転中心を持った回転振動であるヨーイングが存在する。ヨーイングはθｚモードの振動として観測、制御される。最後に、Ｚ軸方向並進の固有振動モードであるバウンシングが存在する。バウンシングはＺモードの振動として観測、制御される。運動モードと固有振動モードの対応関係をまとめると、次のようになる。
（１）Ｘモード：低心ローリング
（２）Ｙモード：低心ピッチング
（３）Ｚモード：バウンシング
（４）θｘモード：高心ピッチング
（５）θｙモード：高心ローリング
（６）θｚモード：ヨーイング
一つの固有振動モードを運動モードによって成分表示した場合、一つの運動モードのみに成分が存在するわけではない。しかしながら、主成分は一つの運動モードに集中する。例えば、図４に示したモードシェープからわかるように、低心ローリングは運動モードで成分表示を行なった場合、Ｘモードとθｙモードの成分を持つ。しかし、主成分はＸモードであって、低心ローリングはほぼＸモードの振動とみなすことができる。図２に示した運動モードのフィードバックループは、個々の運動モードがそれぞれ対応した固有振動モードの主成分であるという構造の上に成り立っている。
【００７７】
従来より、スカイフックの剛性付与は除振装置の制振・除振性能向上に大いに貢献するものとみなさている。しかしながら、単純に剛性付与を行なうと、除振装置としての動作に破綻をきたすことがある。その原因が固有振動モードの変化である。フィードバックループの動作で除振台１３にスカイフックの剛性を付与した場合に固有振動モードのモードシェープがどのように変化するのかを端的に示したのが図６である。
【００７８】
図６は、フィードバックループでＸ並進方向に剛性を付与した場合における、固有振動モードの変化を示す。除振台１３の右側、重心高さに付与した剛性要素がスカイフックの剛性である。スカイフックの剛性を付与したことによって、低心ローリングと高心ローリングの回転中心はどちらも上方に移動している。
【００７９】
固有振動モードの変化は除振装置にとって様々な弊害をもたらす。まず、運動モード別のフィードバックループが破綻を来たしてしまう。図６からわかるように、高心ローリングの回転中心は重心から上方に遠のくため、θｙモードのフィードバックループで高心ローリングを制御するというループの構成が成り立たなくなってしまう。低心ローリングについても同様である。低心ローリングの回転中心が除振台１３よりも下方に十分離れていれば、この固有振動モードはＸ並進の振動とみなすことができる。しかし、同図のように剛性付与によって回転中心が除振台１３に近づくと、低心ローリングはもはやＸ並進の振動とみなすことはできない。重心よりも下方に回転中心をもった回転運動となる。よって、Ｘモードのフィードバックループでもって低心ローリングの振動に対して減衰を付与することも、位置の制御をすることも困難になってしまう。
【００８０】
不具合はフィードバックループの動作だけに留まらない。固有振動モードは除振装置のような機械構造物にとっては基本的な設計仕様である。可動機構の可動方向と範囲は固有振動モードをもとに設計される。振動センサとアクチュエータの配置も同様であって、固有振動モードの可観測性と可制御性を考慮して配置が決定される。固有振動モードが変化しては、可動機構、振動センサとアクチュエータの配置も再設計が必要になる。すなわち、機械構造の再設計と再製作を余儀なくされてしまう。
【００８１】
また、除振装置の性能評価にも支障が生ずる。除振装置の性能評価指針の一つである床振動伝達率は、通常、水平２方向と鉛直方向でもって測定される。測定は除振台と設置床の双方に振動センサを設置して行なわれる。ところが、図６のように剛性付与でＸ並進の固有振動モードが存在しなくなっては、Ｘ方向の床振動伝達率を高精度に測定することが出来ない。除振台１３に励起される振動は主として固有振動モードの振動であり、Ｘ並進の振動成分が存在しなくては測定が有意なものでなくなってしまう。
【００８２】
以上の理由により，スカイフックの剛性を付与しても、固有振動モードの変化は回避しなくてはならない。そのための手段が、本発明の本質である、フィードバックループによる慣性の付与である。本発明によるフィードバックループのブロック線図は図２に示したものであった。慣性付与のループには本発明の特徴であるゲイン補償行列６が存在する。ゲイン補償行列６をいかにして設計するのかを以下に説明する。
【００８３】
フィードバックを行なわない状態において、（２）式、（３）式に示したように慣性行列をＭ、剛性行列をＫとして、固有振動モードは行列Ｍ-1Ｋで定まることを示した。固有振動数は行列Ｍ-1Ｋの固有値の平方根であり、モードシェープは同行列の固有ベクトルであった。では、フィードバックループの慣性付与によって慣性行列がＭからＭ＋Ｍ'になり、かつ、フィードバックループの剛性付与によって剛性行列がＫからＫ＋Ｋ'になるとすると、運動方程式は次のようである。
【００８４】
（Ｍ＋Ｍ’）ｄ2Ｘ／ｄｔ2＋（Ｋ＋Ｋ’）Ｘ＝０・・・（４）
Ｘ＝［ｘ ｙ ｚ θｘ θｙ θｚ］T・・・（５）
固有振動モードは行列（Ｍ＋Ｍ'）-1（Ｋ＋Ｋ'）によって定まる。フィードバックループの有無で固有振動モードが不変であるためには次式が成立すればよい。
【００８５】
（Ｍ＋Ｍ’）-1（Ｋ＋Ｋ’）＝Ｍ-1Ｋ・・・（６）
（６）式より、フィードバックによる慣性を示すＭ'が次式を満たせば固有振動モードを不変とすることができる。
【００８６】
Ｍ’＝｛（Ｋ＋Ｋ’）Ｋ-1−Ｉ）｝Ｍ・・・（７）
（７）式において、Ｉは６次の単位行列である。また、ＭとＫは除振装置の物理パラメータによって決まる定数行列であって既知である。物理パラメータとは除振台１３の質量、慣性モーメント、慣性乗積と、空気ばねＳＵの剛性である。Ｋ'は剛性付与のフィードバックループのループゲインで決まるから、やはり既知行列である。このように、Ｍ、Ｋ、Ｋ'は既知行列であるから、固有振動モードを不変とするようなＭ'が（７）式で決まる。ゲイン補償行列６はこのＭ'を実現するように設計すればよい。
【００８７】
なお、図２に示したフィードバックループのブロック線図において、剛性付与の機能を持つゲイン補償器４は運動モードごとに構成されている。運動モードの間に相互干渉を持たないループ構成であるため、Ｋ'は対角行列である。しかしながら、（７）式で定まるＭ'は一般に対角行列になるとは限らない。よって、慣性付与のループには運動モードの間の干渉が存在することになる。これが、図２において、慣性付与のループはマトリクス形式のゲイン補償行列６を有する理由である。ゲイン補償行列６は対角行列であるとは限らない。もしもＭ'が対角行列になるならば、剛性付与と粘性付与のループが運動モードごとにそれぞれゲイン補償器４およびゲイン補償器５を有するように、慣性付与のループも運動モードごとにゲイン補償を行なえばよい。
【００８８】
本実施形態の慣性を付与するためのフィードバックループは、（７）式を満たすように設計される。これによって固有振動モードを不変とすることができる。固有振動モードが不変ということは、固有振動数が不変であり、また、モードシェープも不変であることを意味する。よって、運動モードごとのフィードバックループが適正に動作して、除振台１３の位置を一定に保持する位置制御、そして振動減衰のための粘性付与が好適に実施される。固有振動モードという除振装置の基本仕様が不変であるため、除振装置の機械的な構造は当初の設計のとおりで好適に動作する。すなわち、可動機構の可動範囲と可動方向、可観測性を考慮した振動センサの配置、可制御性を考慮したアクチュエータの配置といった設計指標はフィードバックループの有無によって変わることはない。
【００８９】
また、固有振動モードは行列（Ｍ＋Ｍ'）-1（Ｋ＋Ｋ'）によって定まるから、Ｍ'の設定によって固有振動モードを任意に調整することもできる。ゲイン補償行列６をこのようなＭ'を実現するように設計すれば、固有振動モードを任意に調整することができる。
【００９０】
（７）式は行列の演算式であって計算量が多大である。よって、Ｍ'とＫ'の対応を予め計算しておき、この結果をテーブルに保持しておくことが、実際にフィードバックループを動作させるときには望ましい。換言すると、図８に示すように、剛性付与を行なうゲイン補償器４と慣性付与を行なうゲイン補償行列６との対応をテーブル１４に保持しておき、実際にフィードバックループを動作させるときには、テーブル１４に従ってゲイン補償器４とゲイン補償行列６とを決定すればよい。図８において、ゲイン補償器４はｘ、ｙ、ｚ、θｘ、θｙ、θｚの各運動モードに対応して６つの要素で表示されている。また、ゲイン補償行列６は３６の要素をもった正方行列として表示されている。予めテーブル１４を用意することによって、（７）式のような膨大な演算を行なうことなく、迅速にゲイン補償器４およびゲイン補償行列６の値を決定することが出来る。
【００９１】
なお、図１で示したように、本実施形態として空気ばねＳＵが除振台１３の四隅を支持する構造であり、かつ、８つのリニアモータＬＭと６つの振動センサＳＮを有する除振装置を開示したが、本発明の適用範囲はこのような場合に制限されるものではない。固有振動モードを不変に保ったまま、フィードバックループによってスカイフックの剛性と慣性を除振台１３に付与するという本発明の本質は、除振台の形状、振動センサとアクチュエータの種類を問わずに実施できる。また、本発明による除振装置を有する露光装置は、露光方式が逐次露光方式か走査露光方式かを問わずに実施することができる。
［露光装置］
図９は、本実施形態のＸ線露光装置の概略構成を示し、符号１１０１はＸ線を発生するＸ線光源ユニットであり、内部が真空状態に保たれ、ターゲット１１１１に不図示のレーザーを照射し、プラズマを発生させることにより、Ｘ線１１１７を発生する。Ｘ線１１１７は、光源１１１２からグローバルに発散し、その一部は、Ｘ線取り出し窓１１１３を通して、減圧Ｈｅチャンバ１１４１内へ導かれる。減圧チャンバ１１４１内には、コリメータ１１２１が設置されており、発散して入射するＸ線を平行にして、露光画角に出射する（符号１１１８）。光源１１１２から発生したＸ線１１１７は発散光であり、光源から離れた露光位置では強度が距離に反比例して低下してしまうため、より多くのＸ線を取り込んで露光に供するＸ線強度を上げることもコリメータの役割のひとつである。
【００９２】
マスク１１３１は、メンブレン（不図示）上に転写パターンが形成されている。メンブレンと１０マイクロメートル程度の微少間隔おいた位置に感光剤を塗布したウエハ１１３２が、不図示のアライメント装置によって位置決めされ、コリメータ１１２１から出射したＸ線１１１８が照射され、パターンが転写される。ウエハ１１３２は、ウエハステージ１１３４によって、順次ステップ移動し、逐次露光される。
【００９３】
露光装置は、主に光源ユニット１１０１と本体１１０２により構成される。Ｘ線光源ユニット１１０１は、光源ユニット架台１１１５に設置されており、本体１１０２とは独立して床に設置されている。これは、光源から発生する熱がフレームを伝わることによって、本体１１０２が熱的に歪み、マスク１１３１とウエハ１１３２との位置合わせ精度が低下してしまうのを防ぐためと、Ｘ線光源ユニットと本体１０２とを別々の構造体に支持することによって、装置の設置がより容易になるためである。
【００９４】
Ｘ線光源ユニット１１０１内部には、ターゲット１１１１が配置され、レーザー（不図示）が照射され、プラズマを発生させ、Ｘ線１１１７を発生させる。Ｘ線光源ユニット内部は、真空であり、本体２の減圧Ｈｅ雰囲気との間は、Ｂｅ製の厚さ数マイクロメートルのＸ線取り出し窓１１１３により隔離されており、真空雰囲気が壊されることはない。Ｂｅは、Ｘ線の透過率が高いが、Ｈｅは透過しないので、Ｘ線の取り出し窓として利用される。また、Ｘ線光源ユニット１１０１と減圧Ｈｅチャンバ１１４１との間は、ベローズＡ、（符号１１１６）が設置されており、外部とは隔離されている。
【００９５】
本体１１０２は、減圧Ｈｅチャンバ１１４１内に設置され、不図示のＨｅ雰囲気作成装置によって、全体が減圧Ｈｅ雰囲気に保たれている。露光光であるＸ線の通過する雰囲気を減圧Ｈｅにすることによって、Ｘ線の減衰を小さく抑えることが出来るからである。本体１１０２は、照明光学系のコリメータ１１２１、マスク１１３１を保持、位置決めをするマスクステージ（不図示）、ウエハ１１３２を保持、位置決め、およびステップ駆動を行うウエハステージ１１３４、マスク１１３１、ウエハ１１３２を搬送する搬送系（不図示）、マスク１１３１とウエハ１１３２との位置を計測する計測系（不図示）から構成される。本体１１０２は、除振装置１１３６を介して床に設置される。ステージ定盤１１３５は、除振装置１１３６上に設置され、ウエハステージ１１３４がその上を移動する。また、ステージ定盤１１３５には、本体フレーム１１３７が設置され、本体フレーム１１３７にコリメータ１１２１が固定されている。コリメータ１１２１は、組み立て調整時に、マスク面上で均一な強度分布になり、かつ、マスクに対して垂直に露光Ｘ線１１１８が入射する様に、位置および姿勢が調整されて組み付けされている。
【００９６】
除振装置１１３６は、精密な位置決めが要求されるマスク１１３１とウエハ１１３２の位置決め精度が床からの振動によって低下するのを防ぎ、本体１１０２の姿勢を一定に保つものである。空気バネによって構成されているため、低周波の振動（数ヘルツ以下の振動）は、取り去ることは困難である。
【００９７】
本体１１０２の姿勢が変化しても減圧Ｈｅ雰囲気が破壊されないように、ベローズＢ、（符号１１４２）が減圧Ｈｅチャンバ１１４１と本体１１０２の間に設置されている。
［半導体生産システムの実施形態］
次に、上記説明した除振装置を有する露光装置を利用した半導体等のデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の生産システムの例を説明する。これは、半導体製造工場に設置された製造装置のトラブル対応や定期メンテナンス、若しくはソフトウェア提供等の保守サービスを、製造工場外のコンピュータネットワーク等を利用して行うものである。
【００９８】
図１０は、全体システムをある角度から切り出して表現したものである。図中、１０１は半導体デバイスの製造装置を提供するベンダ（装置供給メーカ）の事業所である。製造装置の実例として、半導体製造工場で使用する各種プロセス用の半導体製造装置、例えば、前工程用機器（露光装置、レジスト処理装置、エッチング装置等のリソグラフィ装置、熱処理装置、成膜装置、平坦化装置等）や後工程用機器（組立て装置、検査装置等）を想定している。事業所１０１内には、製造装置の保守データベースを提供するホスト管理システム１０８、複数の操作端末コンピュータ１１０、これらを結んでイントラネット等を構築するローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）１０９を備える。ホスト管理システム１０８は、ＬＡＮ１０９を事業所の外部ネットワークであるインターネット１０５に接続するためのゲートウェイと、外部からのアクセスを制限するセキュリティ機能を備える。
【００９９】
一方、１０２〜１０４は、製造装置のユーザとしての半導体製造メーカの製造工場である。製造工場１０２〜１０４は、互いに異なるメーカに属する工場であってもよいし、同一のメーカに属する工場（例えば、前工程用の工場、後工程用の工場等）であってもよい。各工場１０２〜１０４内には、夫々、複数の製造装置１０６と、それらを結んでイントラネット等を構築するローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）１１１と、各製造装置１０６の稼動状況を監視する監視装置としてホスト管理システム１０７とが設けられている。各工場１０２〜１０４に設けられたホスト管理システム１０７は、各工場内のＬＡＮ１１１を工場の外部ネットワークであるインターネット１０５に接続するためのゲートウェイを備える。これにより各工場のＬＡＮ１１１からインターネット１０５を介してベンダ１０１側のホスト管理システム１０８にアクセスが可能となり、ホスト管理システム１０８のセキュリティ機能によって限られたユーザだけがアクセスが許可となっている。具体的には、インターネット１０５を介して、各製造装置１０６の稼動状況を示すステータス情報（例えば、トラブルが発生した製造装置の症状）を工場側からベンダ側に通知する他、その通知に対応する応答情報（例えば、トラブルに対する対処方法を指示する情報、対処用のソフトウェアやデータ）や、最新のソフトウェア、ヘルプ情報等の保守情報をベンダ側から受け取ることができる。各工場１０２〜１０４とベンダ１０１との間のデータ通信及び各工場内のＬＡＮ１１１でのデータ通信には、インターネットで一般的に使用されている通信プロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）が使用される。なお、工場外の外部ネットワークとしてインターネットを利用する代わりに、第三者からのアクセスができずにセキュリティの高い専用線ネットワーク（ＩＳＤＮ等）を利用することもできる。また、ホスト管理システムはベンダが提供するものに限らずユーザがデータベースを構築して外部ネットワーク上に置き、ユーザの複数の工場から該データベースへのアクセスを許可するようにしてもよい。
【０１００】
さて、図１１は、本実施形態の全体システムを図１０とは別の角度から切り出して表現した概念図である。先の例では、それぞれが製造装置を備えた複数のユーザ工場と、該製造装置のベンダの管理システムとを外部ネットワークで接続して、該外部ネットワークを介して各工場の生産管理や少なくとも１台の製造装置の情報をデータ通信するものであった。これに対し本例は、複数のベンダの製造装置を備えた工場と、該複数の製造装置のそれぞれのベンダの管理システムとを工場外の外部ネットワークで接続して、各製造装置の保守情報をデータ通信するものである。図中、２０１は製造装置ユーザ（半導体デバイス製造メーカ）の製造工場であり、工場の製造ラインには各種プロセスを行う製造装置、ここでは例として露光装置２０２、レジスト処理装置２０３、成膜処理装置２０４が導入されている。なお、図１１では、製造工場２０１は１つだけ描いているが、実際は複数の工場が同様にネットワーク化されている。工場内の各装置はＬＡＮ２０６で接続されてイントラネット等を構成し、ホスト管理システム２０５で製造ラインの稼動管理がされている。一方、露光装置メーカ２１０、レジスト処理装置メーカ２２０、成膜装置メーカ２３０等、ベンダ（装置供給メーカ）の各事業所には、それぞれ供給した機器の遠隔保守を行うためのホスト管理システム２１１，２２１，２３１を備え、これらは上述したように保守データベースと外部ネットワークのゲートウェイを備える。ユーザの製造工場内の各装置を管理するホスト管理システム２０５と、各装置のベンダの管理システム２１１，２２１，２３１とは、外部ネットワーク２００であるインターネット若しくは専用線ネットワークによって接続されている。このシステムにおいて、製造ラインの一連の製造機器の中のどれかにトラブルが起きると、製造ラインの稼動が休止してしまうが、トラブルが起きた機器のベンダからインターネット２００を介した遠隔保守を受けることで迅速な対応が可能で、製造ラインの休止を最小限に抑えることができる。
【０１０１】
半導体製造工場に設置された各製造装置はそれぞれ、ディスプレイと、ネットワークインタフェースと、記憶装置にストアされたネットワークアクセス用ソフトウェアならびに装置動作用のソフトウェアを実行するコンピュータを備える。記憶装置としては内蔵メモリやハードディスク、若しくはネットワークファイルサーバ等である。上記ネットワークアクセス用ソフトウェアは、専用又は汎用のウェブブラウザを含み、例えば図１２に一例を示す様な画面のユーザインタフェースをディスプレイ上に提供する。各工場で製造装置を管理するオペレータは、画面を参照しながら、製造装置の機種４０１、シリアルナンバー４０２、トラブルの件名４０３、発生日４０４、緊急度４０５、症状４０６、対処法４０７、経過４０８等の情報を画面上の入力項目に入力する。入力された情報はインターネットを介して保守データベースに送信され、その結果の適切な保守情報が保守データベースから返信されディスプレイ上に提示される。また、ウェブブラウザが提供するユーザインタフェースは、さらに図示の毎くハイパーリンク機能４１０，４１１，４１２を実現し、オペレータは各項目の更に詳細な情報にアクセスしたり、ベンダが提供するソフトウェアライブラリから製造装置に使用する最新バージョンのソフトウェアを引出したり、工場のオペレータの参考に供する操作ガイド（ヘルプ情報）を引出したりすることができる。ここで、保守データベースが提供する保守情報には、上記説明した本発明に関する情報も含まれ、また前記ソフトウェアライブラリは本発明を実現するための最新のソフトウェアも提供する。
【０１０２】
次に、上記説明した生産システムを利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。図１３は、半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これを出荷（ステップ７）する。前工程と後工程はそれぞれ専用の別の工場で行い、これらの工場毎に上記説明した遠隔保守システムによって保守がなされる。また、前工程工場と後工程工場との間でも、インターネットまたは専用線ネットワークを介して生産管理や装置保守のための情報がデータ通信される。
【０１０３】
図１４は、上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を成膜する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。各工程で使用する製造機器は上記説明した遠隔保守システムによって保守がなされているので、トラブルを未然に防ぐと共に、もしトラブルが発生しても迅速な復旧が可能で、従来に比べて半導体デバイスの生産性を向上させることができる。
【０１０４】
上記実施形態によれば、プロセス要因でウエハ平面度の欠陥があった場合には、強制露光が可能であることから、エッチング時に、周辺に正常に露光されたショットに及ぼす影響を最小限にすることができるため、ウエハの歩留まりが向上する。
【０１０５】
チャック要因でウエハ平面度の欠陥があった場合には、フォーカス制御エラーが発生した場所をウエハ枚葉間で記憶する機能を具備しているので、上記効果に加えてウエハチャックの汚染を速やかに発見することができる。
【０１０６】
また、床からの外乱等の影響でフォーカス制御エラーが発生した場合は、スキャン露光の前であれば露光を中止しリトライする機能を具備しているので、露光不良ショットの率を低減することができ、歩留まりが向上する。
【０１０７】
さらに、上記リトライや強制露光の判断を自動で行う機能を具備したことにより、オペレータの判断待ちで装置が停止している時間を最小限にすることができ、装置の稼働率が向上する。
【０１０８】
【他の実施形態】
以上、実施形態例を詳述したが、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても良いし、また、一つの機器からなる装置に適用しても良い。
【０１０９】
なお、本発明は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラム（本発明の除振装置の制御方法）を、システム或いは装置に直接或いは遠隔から供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータが該供給されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される場合を含む。その場合、プログラムの機能を有していれば、形態は、プログラムである必要はない。
【０１１０】
従って、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、該コンピュータにインストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明のクレームでは、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も含まれる。
【０１１１】
その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、ＯＳに供給するスクリプトデータ等、プログラムの形態を問わない。
【０１１２】
プログラムを供給するための記録媒体としては、例えば、フロッピーディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＭＯ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−Ｒ）などがある。
【０１１３】
その他、プログラムの供給方法としては、クライアントコンピュータのブラウザを用いてインターネットのホームページに接続し、該ホームページから本発明のコンピュータプログラムそのもの、もしくは圧縮され自動インストール機能を含むファイルをハードディスク等の記録媒体にダウンロードすることによっても供給できる。また、本発明のプログラムを構成するプログラムコードを複数のファイルに分割し、それぞれのファイルを異なるホームページからダウンロードすることによっても実現可能である。つまり、本発明の機能処理をコンピュータで実現するためのプログラムファイルを複数のユーザに対してダウンロードさせるＷＷＷサーバも、本発明のクレームに含まれるものである。
【０１１４】
また、本発明のプログラムを暗号化してＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に格納してユーザに配布し、所定の条件をクリアしたユーザに対し、インターネットを介してホームページから暗号化を解く鍵情報をダウンロードさせ、その鍵情報を使用することにより暗号化されたプログラムを実行してコンピュータにインストールさせて実現することも可能である。
【０１１５】
また、コンピュータが、読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施形態の機能が実現される他、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが、実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現され得る。
【０１１６】
さらに、記録媒体から読み出されたプログラムが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行ない、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現される。
【０１１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、除振台にスカイフックの剛性と粘性、そして慣性を付与して除振台の振動を抑制する。フィードバックループの有無によって除振台の剛体運動の固有振動モードは不変である。よって、運動モード別のフィードバックループが好適に動作する。かつ、除振装置の可動範囲、振動センサとアクチュエータの配置に再設計は不要である。また、本発明によれば、除振台の剛体運動の固有振動モードを任意に調整することが可能である。固有振動モードを望ましいものに整形することが出来る。このように好適な振動制御が可能な除振装置と、この除振装置を有する高精度な半導体露光装置とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の除振装置の構造を示す図である。
【図２】本発明に係る実施形態の除振装置を制御する制御器のフィードバックループを示す図である。
【図３】剛体―ばねモデルを示す図である。
【図４】固有振動モードのモードシェープを示す図である。
【図５】１自由度の除振装置を対象とした場合におけるフィードバックループのブロック線図を示す図である。
【図６】スカイフックの剛性付与によるモードシェープの変化を示す図である。
【図７】サーボ型受信器の構造を示す図である。
【図８】剛性と慣性との対応テーブルを示す図である。
【図９】本実施形態のＸ線露光装置の概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る露光装置を含む半導体デバイスの生産システムをある角度から見た概念図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る露光装置を含む半導体デバイスの生産システムを別の角度から見た概念図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る露光装置を含む半導体デバイスの生産システムにおけるユーザインタフェースの具体例を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る露光装置によるデバイスの製造プロセスの流れを説明するフローチャートである。
【図１４】本発明の一実施形態に係る露光装置によるウエハプロセスを説明する図である。
【符号の説明】
１  偏差に関する運動モード抽出演算器
２  速度に関する運動モード抽出演算器
３  加速度に関する運動モード抽出演算器
４  剛性に関するゲイン補償器
５  粘性に関するゲイン補償器
６    ゲイン補償行列
７  ＰＩ補償器
８  空気ばねに関する運動モード分配演算器
９  リニアモータに関する運動モード分配演算器
１０  空気弁の電力増幅器
１１  リニアモータの電力増幅器
１２  位置目標値発生器
１３  除振台
１４  テーブル
２０  増幅器
２１  微分器
２２  電流検出抵抗
２３  減衰器
２４  変位検出器
２５  支持ばね
２６  振子
２７  可動部
２７ａ  可動コイル
２８  速度検出端子
２９  加速度検出端子
３０  コア
３０ａ  永久磁石
ＰＳ  位置センサ
ＳＮ  振動センサ
ＳＵ  空気ばね
ＡＶ  空気弁
ＬＭ  リニアモータ
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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