JP5457821B2 - アクティブ除振装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクティブ除振装置に関し、より詳細には、精密加工、計測等の分野における各種機器の搭載テーブルを外乱から絶縁する空気圧制御式のアクティブ除振装置に関する。

近年、半導体デバイス製造システムや極微小領域計測システムでは、急速に高精度化、高性能化してきており、これらのシステムにおいて、振動等の外乱を除去するための除振、防振装置の重要性が増大してきている。このような除振装置で除去すべき振動外乱は、設置床からの振動に起因する地動外乱と、装置の防振部材に入力される直動外乱とに大きく分けることができる。前者には低剛性の機構が適しており、後者には高剛性の機構が適している。

従来の除振装置として、地動外乱を絶縁して除振するパッシブ型除振装置が知られている。ここで、床からの振動伝達率を低くするためにばね定数を小さくしてばね剛性を低くすると、除振テーブル上の質量変化や、除振テーブルに作用する荷重の変化等のばね上での外乱に対して弱くなってしまう。このため、ばね上での外乱に対してはある程度ばね剛性を高くする必要がある。しかし、パッシブ型の除振装置では、ばね上での外乱に対して高い剛性を確保することは困難であることから、アクティブ型除振装置が提案されている。

このアクティブ型除振装置によれば、空気ばねの内圧を制御する圧力制御弁等のアクチュエータに対して、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るフィードバック制御を行い、制御対象に直接または間接に制御力を加えることにより、能動的な振動制御を行うことができる（例えば、特許文献１を参照）。

特開平１−２１０６３４号公報

しかしながら、空気ばねの内圧を制御する空気圧制御式のアクチュエータは１次遅れ系のため、ダンピング効果を得るためには制御対象の加速度信号を検出する必要があり、一般的にはサーボ型加速度センサが用いられている。従来の空気圧制御式のアクティブ型除振装置では、一般的に、制御対象の加速度を検出するサーボ型加速度センサ、制御対象の相対変位を検出する非接触変位センサ、圧力制御弁によるアクチュエータ、及び制御コントローラ等が必要となり、装置のトータルコストが高いものになってしまうという問題がある。サーボ型加速度センサは比較的高価であり、通常の場合、１つの装置で９〜１０個程度使用するため、コストを押し上げる大きな要因となっている。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、空気圧制御式のアクティブ除振装置において、サーボ型加速度センサの代わりに、比較的安価な動電型速度センサで加速度を検出することにより、構造をシンプルにして低コスト化を実現できるようにしたこと、を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、空気圧制御式のアクティブ除振装置であって、機器の搭載を可能とした機器搭載テーブルと、該機器搭載テーブルを設置基準面に対して支持する支持手段と、前記機器搭載テーブルと前記支持手段との間に設けられ且つ前記機器搭載テーブルを駆動するアクチュエータと、前記機器搭載テーブルの振動を検出する動電型速度センサと、該動電型速度センサの出力信号を加速度信号に変換する制御手段とを備え、前記機器搭載テーブルが前記動電型速度センサの固有振動数以下の振動数で振動している場合、前記制御手段は、前記動電型速度センサから出力される加加速度信号を積分して加速度信号に変換し、前記機器搭載テーブルが前記動電型速度センサの固有振動数より大きな振動数で振動している場合、前記制御手段は、前記動電型速度センサから出力される速度信号を微分して加速度信号に変換することを特徴としたものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記動電型速度センサの固有振動数が８Ｈｚ以上の範囲であることを特徴としたものである。

本発明によれば、空気圧制御式のアクティブ除振装置において、サーボ型加速度センサの代わりに、比較的安価な動電型速度センサを用いることにより、構造をシンプルにして低コスト化を実現することができる。

本発明によるアクティブ除振装置の構成例を示すブロック図である。 本発明に係る動電型速度センサを模式的に示した図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明のアクティブ除振装置に係る好適な実施の形態について説明する。

図１は、本発明によるアクティブ除振装置の構成例を示すブロック図で、図中、１はアクティブ除振装置を示す。アクティブ除振装置１は、空気圧制御式のアクティブ型除振装置であって、大きく分けて、本体部２、コントローラ３、排気ポート４、レギュレータ５で構成される。

本体部２は、機器の搭載を可能とした機器搭載テーブル２１と、機器搭載テーブル２１を設置基準面に対して支持する支持手段に相当する架台２２と、機器搭載テーブル２１と架台２２との間に設けられ且つ機器搭載テーブル２１を駆動する空気アクチュエータ２３とを備える。

また、本体部２は、機器搭載テーブル２１の振動を検出する振動センサに相当する第１の速度センサ２４と、第１の速度センサ２４の出力を増幅する第１のアンプ２５と、架台２２の振動を検出する第２の速度センサ２６と、第２の速度センサ２６の出力を増幅する第２のアンプ２７と、設置基準面に対する機器搭載テーブル２１の相対変位ｇを検出する変位センサ２８と、空気アクチュエータ２３の内圧を制御するサーボバルブ２９とを備える。なお、設置基準面とは例えば本体部２を設置する床面であり、相対変位ｇはこの床面に対する機器搭載テーブル２１の相対的な変位量である。

空気アクチュエータ２３は、ピストン２３ａと、空気ばね室２３ｂとで構成され、サーボバルブ２９により空気ばね室２３ｂの内圧を調整することでピストン２３ａを動作させ、機器搭載テーブル２１の位置や振動を制御する。サーボバルブ２９には、空気を排気する排気ポート４と、空気を供給するレギュレータ５とが接続され、コントローラ３による制御に基づいて空気ばね室２３ｂに対する空気の排気／供給を制御する。

上記において、第１の速度センサ２４及び第２の速度センサ２６は以下の図２に示すような動電型の速度センサで構成される。
図２は、本発明に係る動電型速度センサを模式的に示した図である。ここでは、第１の速度センサ２４を例示して説明するが、第２の速度センサ２６も同様の構成であるものとする。第１の速度センサ２４は、ケース２４１、コイル２４２、磁石２４３、ばね２４４、おもり２４５、ダンパ２４６を備える。この第１の速度センサ２４は、センサが持つ固有振動数以下では加加速度信号を出力し、また、固有振動数より大きい振動数では速度信号を出力するように構成されている。

図２のような、ばね-質量系について説明する。ケース２４１の絶対変位と、ケース２４１とおもり２４５の相対変位の関係を考える。これは、おもり２４５とばね２４４とから決定される固有振動数によって異なる。すなわち、この固有振動数以下の周波数でケース２４１が振動した場合、おもり２４５には慣性力が働き、ケース２４１の絶対加速度に比例してばね２４４が変位する。つまり、ケース２４１とおもり２４５の相対変位は、ケース２４１の絶対加速度に比例する。一方、固有振動数より大きい周波数でケース２４１が振動した場合、おもり２４５は慣性により絶対座標で静止する。つまり、ケース２４１とおもり２４５の相対変位は、ケース２４１の絶対変位に比例する。

上記により、ケース２４１とおもり２４５の相対変位を観測することで、固有振動数以下ではケース２４１の絶対加速度を、固有振動数より大きい場合にはケース２４１の絶対変位を検出できる。これを時間微分すると、ケース２４１とおもり２４５の相対速度（すなわち、ケース２４１のおもり２４５に対する相対速度）を観測することで、固有振動数以下ではケース２４１の絶対加加速度を、固有振動数より大きい場合にはケース２４１の絶対速度を検出できると言うことができる。

具体的には、第１の速度センサ２４に外力が印加され、この外力により加速度Ａ（ｔ）が発生すると、慣性力ｍＡ（ｔ）（ｍはおもり２４５の質量）が発生する。数式で記述すると以下の通りである。

ケース２４１の絶対変位をｘ_０、おもり２４５の絶対変位をｘ_１、おもり２４５の質量をｍ、ばね２４４のばね剛性をｋ、ダンパ２４６の粘性係数をｃとする。おもり２４５のケース２４１に対する相対変位をｙ_１とすると、
ｙ_１＝ｘ_１−ｘ_０ ・・・式（１）
おもり２４５の運動方程式は、
ｍ（ｄ^２／ｄｔ^２）ｘ_１＋ｃ（ｄ／ｄｔ）ｙ_１＋ｋ・ｙ_１＝０ ・・・式（２）
ラプラス変換して、
（ｍ・ｓ^２＋ｃ・ｓ＋ｋ）Ｘ_１＝（ｃ・ｓ＋ｋ）Ｘ_０ ・・・式（３）

ここで、Ｘ_１（ｓ）、Ｘ_０（ｓ）はそれぞれｘ_１、ｘ_０のラプラス変換である。式（３）より、
Ｘ_１＝Ｘ_０・（ｃ・ｓ＋ｋ）／（ｍ・ｓ^２＋ｃ・ｓ＋ｋ） ・・・式（４）

よって、
Ｙ＝Ｘ_１−Ｘ_０＝Ｘ_０・（ｍ・ｓ^２）／（ｍ・ｓ^２＋ｃ・ｓ＋ｋ) ・・・式（５）

ここで、ω_ｎ＝√（ｋ／ｍ）、ζ＝ｃ／（２・√（ｍ・ｋ））とおくと、
Ｙ＝Ｘ_０・ｓ^２／（ｓ^２＋２ζ・ω_ｎ・ｓ＋ω_ｎ ^２） ・・・式（６）

よって、
ω≫ω_ｎのとき Ｙ＝Ｘ_０ ・・・式（７）
ω≪ω_ｎのとき Ｙ＝Ｘ_０・ｓ^２／ω_ｎ ^２ ・・・式（８）
となる。

上記において、式（７）は、ケース２４１の振動数ωが第１の速度センサ２４の固有振動数ω_ｎより十分高いときは相対変位ｙはケース２４１の絶対変位に比例することを示す。また、式（８）は、ケース２４１の振動数ωが第１の速度センサ２４の固有振動数ω_ｎより十分低いときは、相対変位ｙはケース２４１の絶対加速度に比例することを示す。

次に、動電型速度センサの検出原理について説明する。ケース２４１には磁石２４３が固定され、おもり２４５にはコイル２４２が巻回されており、外力によりおもり２４５が磁石２４３間の磁束を横切る方向に運動する際に運動の速度に比例した誘導起電力をコイル２４２に発生させる。すなわち、おもり２４５が運動すると、おもり２４５に巻回されたコイル２４２には、Ｖ＝ｖＢＬ（Ｖ：誘導起電力、ｖ：コイル２４２の運動速度、Ｂ：磁石２４３間の磁束密度、Ｌ：コイル２４２のコイル長）で示される誘導起電力Ｖが発生する。そして、図示しない検出部がこの誘導起電力Ｖを検出し、検出した誘導起電力Ｖから速度を得ることができる。つまり、誘導起電力Ｖはケース２４１のおもり２４５に対する相対速度に比例する。

以上により、誘導起電力Ｖを測定することでケース２４１のおもり２４５に対する相対速度を求めることができるため、固有振動数以下ではケース２４１の絶対加加速度を、また、固有振動数より大きい場合にはケース２４１の絶対速度を検出することができる。

ここで、第１の速度センサ２４は、ケース２４１内に収められたおもり２４５及びそのおもり２４５を支持するばね２４４で定まる固有振動数を持つが、機器搭載テーブル２１が第１の速度センサ２４の固有振動数以下の振動数で振動している場合、第１の速度センサ２４は、出力信号として、加加速度信号を出力する。この場合、本発明の制御手段に相当するコントローラ３は、第１の速度センサ２４から出力された加加速度信号を一階積分して加速度信号に変換する。

また、機器搭載テーブル２１が第１の速度センサ２４の固有振動数より大きな振動数で振動している場合、第１の速度センサ２４は、出力信号として、速度信号を出力する。この場合、コントローラ３は、第１の速度センサ２４から出力された速度信号を一階微分して加速度信号に変換する。そして、コントローラ３は、このようにして得られた加速度信号に基づいて機器搭載テーブル２１の振動制御を行う。

上記において、加速度信号を得るために、速度信号を微分処理するよりも、加加速度信号を積分処理するほうが、ノイズを少なくすることができる。また、空気圧制御式のアクティブ除振装置の場合、一般的に、制御対象の振動数として、１〜８Ｈｚの範囲を精度良く振動制御することが重要となる。そこで、８Ｈｚ以上の固有振動数を持つ動電型速度センサを使用することが望ましい。これにより動電型速度センサからは１〜８Ｈｚの範囲で加加速度信号が出力されるため、ノイズを減らし、高精度な振動制御を行うことができる。

ここで特筆すべきことは、通常、動電型速度センサを使用する場合、固有振動数より大きい振動数域においてのみ使用し、固有振動数以下の加加速度が出力される振動数域の信号を使用しないのに対し、本発明では通常使用されない加加速度信号を１階積分することで活用していることである。もちろん固有振動数より大きい振動数域も利用するのは言うまでもない。動電型速度センサは固有振動数及び減衰比に若干の個体差を有し、加加速度域を積分し、あるいは、速度域を微分した後の加速度信号としての特性に若干の個体差が生じ、特性がフラットでない可能性がある。アクティブ除振装置の性能で重要なのは１〜８Ｈｚ付近であり、この振動数域よりも高い固有振動数の動電型速度センサを用いることで、上記のように特性がフラットでないことによる影響が除振性能に与える変動があったとしてもそれがアクティブ除振装置の性能に深刻な影響を与えないようにすることができる。

ここで、従来のサーボ型加速度センサの場合、信号処理アンプにおいて、ＤＣ成分をカットするためのＨＰＦ（ハイパスフィルタ）を必要とし、また、高周波ノイズをカットするためのＬＰＦ（ローパスフィルタ）も必要としていた。これに対して、動電型速度センサの場合、ＤＣ成分を検出しないため、信号処理アンプにＨＰＦを必要としない。また、構造上電気回路を内蔵しないため外部電源も必要としない。そのため、自身からノイズを発生する恐れもなく、出力インピーダンスが低いため外部からのノイズの影響を受けにくい。したがって、ＬＰＦを不要にすることもできる。このように動電型速度センサの場合、従来のサーボ型加速度センサと比較して、センサ自体の構造がシンプル且つ安価なことに加えて、信号処理アンプのフィルタを不要にできるため、装置の低コスト化を実現することができる。

また、図１において、コントローラ３は、第１の速度センサ２４から出力された加加速度信号を一階積分して加速度信号に変換し、また、第１の速度センサ２４から出力された速度信号を一階微分して加速度信号に変換する微分／積分部３１と、予め定められた空気アクチュエータ２３の浮上目標値から変位センサ２８により検出された相対変位ｇを減算して偏差を算出する偏差算出部３２と、偏差算出部３２で算出された偏差と第１の速度センサ２４からの出力値（加速度信号）とに基づいて位置制御及び振動制御を行うＦＢ（フィードバック）制御部３３と、第２の速度センサ２６からの出力値（加速度信号）に基づいて床からの振動制御を行う床ＦＦ（フィードフォワード）制御部３４とを備える。

また、コントローラ３は、ＦＢ制御部３３からの出力値と床ＦＦ制御部３４からの出力値とを加算する加算部３５と、加算部３５からの出力に基づいてサーボバルブ２９を駆動するサーボアンプ３６と、偏差算出部３２，微分／積分部３１，及び加算部３５からの出力をモニタするアナログモニタ３７とを備える。このコントローラ３は、ＡＣ電源６から電力が供給されるものとする。

アナログモニタ３７は、オシロスコープやＦＦＴ(Fast Fourier Transform)等と接続され、オシロスコープやＦＦＴ(Fast Fourier Transform)等は、アナログモニタ３７からの各種出力を表示することができる。

アクティブ除振装置１のフィードバック（ＦＢ）制御系について説明する。
まず、変位センサ２８は、設置基準面に対する機器搭載テーブル２１の相対変位ｇを検出する。そして、偏差算出部３２は、予め定められた空気アクチュエータ２３の浮上目標値から、変位センサ２８で検出された相対変位ｇを減算して偏差を算出する。ＦＢ制御部３３は、偏差算出部３２で算出された偏差がゼロになるように位置制御を行い、機器搭載テーブル２１を一定の位置に制御する。また、ＦＢ制御部３２は、微分／積分部３１から出力された加速度信号に基づいて、機器搭載テーブル２１の振動を抑制するように制御する。

また、アクティブ除振装置１の床フィードフォワード（ＦＦ）制御系について説明する。
上記のＦＢ制御系における振動制御は、機器搭載テーブル２１の振動を抑制するのに対して、この床ＦＦ制御系は、架台２２から機器搭載テーブル２１へ振動が伝わらないように制御するようにしたものである。すなわち、架台２２に設置された第２の速度センサ２６から出力される加加速度信号または速度信号を微分／積分部３１で加速度信号に変換する。床ＦＦ制御部３４は、微分／積分部３１から出力された加速度信号に基づいて、架台２２から機器搭載テーブル２１に伝わる振動を打ち消すように制御することにより、架台２２から機器搭載テーブル２１へ伝わる振動が抑制される。なお、床ＦＦ制御系は、単独で用いられることはなく、ＦＢ制御系と併用して用いられる。

加算部３５は、ＦＢ制御部３３からの出力値と床ＦＦ制御部３４からの出力値とを加算して出力し、サーボアンプ３６は、加算部３５からの出力値に基づいて、サーボバルブ２９を駆動する。サーボバルブ２９は、空気ばね室２３ｂの内圧を調整することでピストン２３ａを動作させ、機器搭載テーブル２１の位置や振動を制御する。

このように本発明によれば、空気圧制御式のアクティブ除振装置において、サーボ型加速度センサの代わりに、比較的安価な動電型速度センサを用いることにより、構造をシンプルにして低コスト化を実現することができる。

１…アクティブ除振装置、２…本体部、３…コントローラ、４…排気ポート、５…レギュレータ、２１…機器搭載テーブル、２２…架台、２３…空気アクチュエータ、２３ａ…ピストン、２３ｂ…空気ばね室、２４…第１の速度センサ、２５…第１のアンプ、２６…第２の速度センサ、２７…第２のアンプ、２８…変位センサ、２９…サーボバルブ、３１…微分／積分部、３２…偏差算出部、３３…ＦＢ制御部、３４…床ＦＦ制御部、３５…加算部、３６…サーボアンプ、３７…アナログモニタ。

Claims (2)

1. 空気圧制御式のアクティブ除振装置であって、
   機器の搭載を可能とした機器搭載テーブルと、該機器搭載テーブルを設置基準面に対して支持する支持手段と、前記機器搭載テーブルと前記支持手段との間に設けられ且つ前記機器搭載テーブルを駆動するアクチュエータと、前記機器搭載テーブルの振動を検出する動電型速度センサと、該動電型速度センサの出力信号を加速度信号に変換する制御手段とを備え、
   前記機器搭載テーブルが前記動電型速度センサの固有振動数以下の振動数で振動している場合、前記制御手段は、前記動電型速度センサから出力される加加速度信号を積分して加速度信号に変換し、
   前記機器搭載テーブルが前記動電型速度センサの固有振動数より大きな振動数で振動している場合、前記制御手段は、前記動電型速度センサから出力される速度信号を微分して加速度信号に変換することを特徴とするアクティブ除振装置。
2. 請求項１に記載のアクティブ除振装置において、前記動電型速度センサの固有振動数は、８Ｈｚ以上の範囲であることを特徴とするアクティブ除振装置。

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