アクティブ除振装置
【課題】空気ばね２０をアクチュエータとして利用して、除振対象物の振動を減殺するようにした空気ばねユニット２において、除振対象物が大型化しても空気の消費量の著しい増大を招くことなく、従来までと同様の高応答、高精度の振動制御を可能としながら、従来以上に高速の位置制御を可能とする。
【解決手段】加速度センサ３１により定盤３など除振対象物の振動状態を検出し、これをフィードバックしてサーボ弁３４を制御することにより、空気ばね２０の内圧を変更して除振対象物にその振動を減殺する制御力を付加する。前記除振対象物の基礎に対する相対高さの変化を変位センサ３２により検出し、これをフィードバックして電磁比例弁３５を制御することにより、除振対象物の高さが基準位置に近づくように空気ばね２０の内圧を調整する。双方の空気圧制御が相互に補完し合うことで、制御の応答性及び安定性の両立が図られる。
【解決手段】加速度センサ３１により定盤３など除振対象物の振動状態を検出し、これをフィードバックしてサーボ弁３４を制御することにより、空気ばね２０の内圧を変更して除振対象物にその振動を減殺する制御力を付加する。前記除振対象物の基礎に対する相対高さの変化を変位センサ３２により検出し、これをフィードバックして電磁比例弁３５を制御することにより、除振対象物の高さが基準位置に近づくように空気ばね２０の内圧を調整する。双方の空気圧制御が相互に補完し合うことで、制御の応答性及び安定性の両立が図られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体関連装置や精密計測装置など、振動の影響を受けやすい精密な装置の設置に用いられる除振装置に関し、特に、それらの除振対象物を支持した気体ばねの内圧を変更することによって、振動を減殺する振動制御の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の除振装置としては、例えば、特許文献１に開示されるように、空気ばねを介して支持した除振対象物（荷）の振動や位置をセンサにより検出し、この検出信号をフィードバックしてコントローラによりアクチュエータを駆動することにより、該除振対象物にその振動を減殺するような振動的な制御力を付加するようにしたアクティブタイプのものが知られている。
【０００３】
このものではアクチュエータとして空気ばね自体を利用するようにしており、その空気ばねに対する空気の給排系にサーボ弁を配設し、これをコントローラにより制御して、空気ばねの内圧を変化させることにより、除振対象物の振動を減殺するような制御力を発生させるとともに、除振対象物の高さ位置を維持するように、空気ばねの内圧を調整するようにしている。
【０００４】
また、特許文献２、３などには、前記のものと同様に、フィードバックしたセンサ信号に基づいて電気空圧アナログ弁を制御して、空気ばねに制御力としての空気圧を注入するようにしたアクティブ振動絶縁装置において、さらに、除振対象物の高さ位置（レベル）の変動に応じて機械的に作動し、空気ばねに空気圧を注入する圧力調整弁を備えることが開示されている。
【０００５】
ところで、そのように空気ばね自体をアクチュエータとして利用する場合には、除振対象物の振動をより高い周波数域まで低減可能とし、且つ安定なフィードバックを実現するために、前記前者の従来例（特許文献１）のように、応答性が高く、微小な制御が可能なサーボ弁を用いて、空気圧を調整するのが一般的である。
【０００６】
しかし、サーボ弁は、その構造上、空気圧を一定に維持するときであっても空気を消費し、しかも、その空気消費量がバルブの大流量化に伴い増大するという特性を有するため、除振対象物の大型化に対応して空気ばねの容量を大きくし、これに応じてサーボ弁を大流量化すると、空気消費量が多くなり過ぎて現実には使用できないという事態を招く。このことは空気ばねやサーボ弁の数を増やした場合でも同様である。
【０００７】
一方、前記後者の従来例（特許文献２、３）には、空気圧制御のためにサーボ弁、電気空圧比例弁を用いる、旨の記載があり、仮に比例弁を用いるようにすれば前記した空気消費量の問題は生じないが、一般に比例弁による空気圧制御の応答速度はサーボ弁に比べてかなり低いので、前記のような振動制御には不向きであると考えられている。
【０００８】
この点につき、特許文献４には、比例弁としてスプール弁を用い、その動作速度を最大限に高めることによって、応答性を高めることが提案されている。すなわち、比例弁の弁体（スプール）を静圧軸受によってハウジングに非接触状態で支持するとともに、その端部に設けた強力なボイスコイルモータによって直接駆動する。さらに、そのモータの制御をスプールの変位及び速度の検出信号に基づくフィードバック制御として、オーバシュートのような無駄な動きを抑制しながら、スプールを最大限、迅速に動作させるのである。
【特許文献１】特許第３３７２９７５号公報
【特許文献２】特開平４−２６２１４４号公報
【特許文献３】特開平６−５０３８２号公報
【特許文献４】特開２００５−１４７３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、仮に前記提案例（特許文献４）の振動制御装置のようにスプールの動作速度を最大限に高めて、これによる空気圧制御の応答性を高めたとしても、サーボ弁ほど高い応答性は得られない。従って、提案例のものは、比較的要求の緩やかな除振装置には実用可能であっても、例えばミクロンオーダの微細加工を行う半導体製造装置のような厳しい振動制御の要求には応えられない場合がある。
【００１０】
また、スプール弁は、筒状のハウジングに形成された複数のポート同士の連通状態を、スプールの軸方向変位によって切換えるとともに、その連通路の断面積を無段階に変化させて空気の流量を調整するという構造であり、空気ばねへの給気状態と排気状態との間に不感帯が存在するとともに、スプールの変位と空気流量の変化とが比例せず、両者の間には複雑な非線形関係があるので、制御の応答性を高めるために制御ゲインを大きく設定すると、不安定になり易いという問題もある。
【００１１】
尚、後者の従来例（特許文献２、３）のように、高さ位置の調整のために機械的に作動する圧力調整弁を用いた場合、除振対象物の高さ位置の変動に対する空気圧の調整遅れが大きく、また、構造上、精度の高い位置制御は困難であるとともに、基礎に設置した圧力調整弁の変位検出部が除振対象に常に接触することになるので、ここから振動が伝わってしまうという不具合も生じる。
【００１２】
本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、気体ばねをアクチュエータとして利用するアクティブ除振装置において、その気体ばねに気体を給排するための構成に工夫を凝らして、除振対象物が大型化しても気体の消費量の著しい増大を招くことなく、所要の応答性及び精度の得られる振動及び位置の制御を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の解決手段は、従来までと同様に除振対象物の振動状態に基づいてサーボ弁を制御し、これにより気体ばねの内圧を変化させて制御力を発生させるとともに、当該除振対象物の高さ位置の変化に対応して、電磁比例弁により気体ばねの内圧を調整するようにしたものである。
【００１４】
具体的に、請求項１の発明は、除振対象物を基礎に対し気体ばねで支持するとともに、該除振対象物の振動状態を検出するための振動センサと、前記気体ばねの内圧を調整するためのサーボ弁とを備え、このサーボ弁を前記振動センサからの信号に基づいて制御することにより、前記気体ばねの内圧を変更して、前記除振対象物にその振動を減殺する制御力を付加するようにしたアクティブ除振装置を対象とする。
【００１５】
そして、前記除振対象物の基礎に対する高さ位置を検出するための位置センサと、前記気体ばねにその内圧を調整可能に接続された電磁比例弁と、該電磁比例弁を前記位置センサからの信号に基づいて制御することにより、前記除振対象物の基準位置からの変位が小さくなるように前記気体ばねの内圧を調整する変位制御手段とを備える構成とする。
【００１６】
前記の構成により、まず、除振対象物の振動が振動センサにより検出されたときには、この振動センサからの信号に基づいてサーボ弁が制御され、これにより気体ばねの内圧が微小に且つ高精度に変更されて、前記除振対象物に制御力が付加される。この制御力によって除振対象物の振動が減殺される（振動制御）。その際、前記サーボ弁が高応答で、微小な気体圧の調整も可能なものであるから、除振対象物の微小な振動に対し遅れなく、且つ高精度に気体ばねの内圧を変更することができ、除振対象物の振動をより高い周波数域まで低減し、且つ安定な振動制御を実現することができる。
【００１７】
また、前記除振対象物の基礎に対する高さ位置が変化すると、位置センサからの信号に基づいて変位制御手段により電磁比例弁が制御されて、除振対象物の変位が小さくなるように気体ばねの内圧が調整される（位置制御）。そして、その比例弁による気体圧の調整が前記サーボ弁に比べればラフで応答性も低いものであっても、従来例（特許文献２、３）のような機械式の圧力制御弁と比較すれば高精度且つ高応答であり、また、サーボ弁と比較して気体圧の調整量は大きい（ゲインが大きい）から、除振対象物の高さ位置を速やかに基準位置に戻すことができる。
【００１８】
しかも、前記比例弁は、その構造上、気体ばねの内圧を一定に維持するときには気体を消費しないので、除振対象物の大型化に対応して気体ばねの容量を大きくしたときに、これに応じて比例弁を大流量化したとしても、サーボ弁のような気体の消費量増大の問題は生じない。
【００１９】
さらに、そのように気体ばねの容量を大きくしたときでも、前記のようにサーボ弁及び比例弁を組合せたことで、前記の振動制御及び位置制御において高い応答性及び安定性を両立できる。
【００２０】
すなわち、気体ばねの容量が大きいということは、これをアクチュエータとして見たときには、時定数が大きくて、ゲインが低いということであり、これに対する気体の給排流量を増大させないとすれば、制御応答性の低下が懸念される。このことは、定常的な微小振幅の振動の除振については位置制御に比べて制御力がかなり小さくてよいため、制御ゲインの増大で十分に対応でき、問題にはならないが、例えば装置内のステージが移動するときのように大きな振動が発生して変位が生じる場合には、気体ばねの容量が大きいとサーボ弁だけでは流量が不足し、位置の制御に遅れを生じることになる。
【００２１】
これに対し、前記構成の如くサーボ弁及び比例弁を組合せれば、大振幅の振動の入力に対して、まずサーボ弁の作動によって気体の給排が高応答に行われるとともに、その振動入力に伴う除振対象物の変位に対応して比例弁の作動による気体の給排が大流量で行われることになるから、気体ばねの容量が大きいときでも、その内圧を遅れなく、且つ適切に制御することが可能になる。
【００２２】
その一方で、前記のように比例弁による気体の給排が大流量で行われるときには、このことに起因して気体ばねの内圧に振動的な変化（オーバーシュート）を生じることがあり、比例弁の特性が非線形であることから、制御の不安定化を招く虞れもあるが、このような気体圧の振動的な変化は、前記したサーボ弁による気体圧の微小且つ高精度の調整（振動制御）によって吸収可能であり、これにより除振対象物の位置を速やかに且つ安定的に基準位置に収束させることができる。
【００２３】
斯くして、前記の構成によれば、比較的小流量だが高応答且つ高精度のサーボ弁による気体圧制御と、比較的大流量の比例弁による気体圧制御とを組み合わせて、相互に補完し合うようにしたことで、除振対象物が大型化しても気体の消費量が著しく増大することはなく、従来同様の高応答、高精度の振動制御が行えるとともに、従来以上に高速でしかも安定性の高い位置制御を行うことができる。
【００２４】
前記構成のアクティブ除振装置において、好ましいのは、前記振動センサを、除振対象物の加速度を検出する加速度センサ、又は該除振対象物の速度を検出する速度センサの少なくとも一方とし、その加速度センサ乃至速度センサからの信号に基づいてサーボ弁を制御することにより、前記除振対象物に制御力が付加されるように気体ばねの内圧を変更する振動制御手段を備えることである（請求項２の発明）。
【００２５】
こうして加速度センサ乃至速度センサからの信号をフィードバックして、振動制御手段によりサーボ弁を制御することにより、除振対象物に対しその振動を減殺するように適切な制御力を付加することができる。
【００２６】
その場合に、より好ましいのは、基礎の加速度乃至速度を検出する少なくとも１つの別の振動センサをさらに備え、この別の振動センサからの信号に基づいて前記振動制御手段によりサーボ弁を制御することで、除振対象物に前記基礎からの伝達振動を減殺する制御力が付加されるように、気体ばねの内圧を変更することである（請求項３の発明）。
【００２７】
こうして基礎（床）の加速度乃至速度を検出して、そこから気体ばねを通して除振対象物に伝達される微小な振動を推定し、この伝達振動を減殺するように例えば逆位相の制御力を付加することによって、除振対象物の振動をより一層、低減することができる。
【００２８】
また、前記構成のアクティブ除振装置において、変位制御手段を、除振対象物の基準位置からの変位が所定値以下のときには電磁比例弁の制御を行わず、位置センサからの信号に基づいてサーボ弁を制御することにより、前記除振対象物の変位が小さくなるように気体ばねの内圧を調整するものとすることもできる（請求項４の発明）。
【００２９】
こうすれば、除振対象物の基準位置からの変位が例えば数ミクロン程度と非常に小さくて、前記比例弁による気体圧の調整によっては位置の制御が困難な場合に、変位制御手段により位置センサからの信号に基づいてサーボ弁の制御が行われ、これにより気体ばねの内圧が高精度に調整されることによって、前記除振対象物の位置を極めて正確に基準位置に戻すことができる。
【００３０】
さらに、前記変位制御手段は、電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を線形に補正するための補正特性を記憶していて、この補正特性に基づいて前記電磁比例弁への制御入力を補正するものとすることもできる（請求項５の発明）。こうすれば、前記比例弁への制御入力を、気体の流量との間の関係が線形になるように補正することができるので、制御の不安定化を防止しつつ、比例弁の制御ゲインを大きくして応答性を高めることができる。
【００３１】
次に、本発明の第２の解決手段は、上述した提案例（特許文献４）のように比例弁を高速化できることを考慮して、この比例弁だけで前記のように気体ばねの内圧を調整し、振動及び位置の制御を行うようにするとともに、そうして高速化した比例弁によって振動制御を行う場合に特に問題になる当該比例弁の非線形性を補償するようにしたものである。
【００３２】
具体的に、請求項６の発明は、除振対象物を基礎に対し気体ばねで支持してなり、その除振対象物の振動状態及び基礎に対する高さ位置の少なくとも一方を検出するためのセンサと、前記気体ばねにその内圧を調整可能に接続された電磁比例弁と、この電磁比例弁を前記センサからの信号に基づいて制御することにより、前記除振対象物の基準位置からの変位が小さくなるか、或いは前記除振対象物にその振動を減殺する制御力が付加されるかの少なくとも一方となるように前記気体ばねの内圧を調整する制御手段と、を備えたアクティブ除振装置において、さらに、前記制御手段を、前記電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を線形に補正するための補正特性を記憶していて、この補正特性に基づいて前記電磁比例弁への制御入力を補正するように構成したものである。
【００３３】
前記の構成により、除振対象物の振動状態や高さ位置の変化がセンサにより検出されたときには、このセンサからの信号に基づいて制御手段により電磁比例弁が制御され、これにより気体ばねの内圧が調整されて、前記除振対象物の振動を低減する振動制御が行われるか、該除振対象物の位置を一定に保つ位置制御が行われるか、或いはそれら両方の制御が行われる。
【００３４】
そうして行われる比例弁による振動制御は、サーボ弁に比べれば応答性が低いものの、比例弁の動作を高速化すれば、比較的要求の緩い除振対象物に対しては実用可能である。しかも、前記比例弁への制御入力は、気体の流量との間の関係が線形になるように補正されるので、比例弁の制御ゲインを大きくして応答性を高めても、不安定にはなり難い。
【００３５】
また、上述したように、比例弁による気体圧の調整は機械式の圧力制御弁と比べれば高精度且つ高応答であり、サーボ弁と比較しても気体圧の調整量は大きい（ゲインが大きい）から、高速で安定性の高い位置制御を行うことができる。しかも、前記の如く比例弁への制御入力を補正して、気体の流量との間の関係を線形化することで、位置制御においても制御の不安定化を防止しつつ、比例弁の制御ゲインを大きくして応答性を高めることができる。そして、勿論、除振対象物の大型化に応じて比例弁を大流量化しても、サーボ弁のような気体の消費量増大の問題は生じない。
【００３６】
尚、前記センサとしては、除振対象物の加速度又は速度を検出するための振動センサや除振対象物の基礎に対する高さ位置を検出するための位置センサが考えられる。また、そうして除振対象物の振動状態乃至高さ位置の検出値に基づいて、比例弁を制御する他に、基礎の加速度乃至速度を検出する少なくとも１つの振動センサをさらに備え、この振動センサからの信号に基づいて制御手段により比例弁を制御することにより、除振対象物に基礎からの伝達振動を減殺する制御力が付加されるように、気体ばねの内圧を変更するようにしてもよい。
【００３７】
ここで、前記の補正特性としては、例えば前記制御手段においてセンサからの信号に基づいて求めた制御入力の値を、予め設定した演算式により補正演算することもできるが、制御応答性を高めるという観点からは、補正前後の制御入力値を互いに対応付けて設定した補正テーブルを準備し、制御手段は、センサからの信号に基づいて仮決定した制御入力値に対応する補正後の制御入力値を前記補正テーブルから読み取って、これにより電磁比例弁を制御するものとするのがよい（請求項７の発明）。
【００３８】
その補正テーブルは、例えば、電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を表す実特性と、該電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の関係が線形となるように予め設定した理想特性と、を対比し、この理想特性に基づいて補正前の制御入力値に対応する目標気体流量を求め、この目標気体流量に対応する補正後の制御入力値を前記実特性から求めたものとすればよい。
【００３９】
好ましいのは、前記電磁比例弁から気体ばねへの気体の供給流量に関連する値を検出する検出手段と、該検出手段による検出値と目標気体流量との偏差が小さくなるように補正テーブルのデータを変更する学習手段と、をさらに備えることである（請求項８の発明）。こうすれば、電磁比例弁の個体ばらつきを学習して、補正テーブルのデータを更新することにより、その個体ばらつきを吸収して、比例弁への制御入力と気体の流量との関係をさらに理想特性に近づけることができ、これにより制御性をさらに向上できる。
【００４０】
その場合に、より好ましいのは、前記比例弁としてスプール弁を用い、検出手段による検出値と目標気体流量との偏差に基づいて、補正テーブルに設定されている補正後の制御入力値が補正前の制御入力値に対して一律に変化するように、該補正テーブルのデータを一括して変更する学習手段を備えることである（請求項９の発明）。
【００４１】
このようにスプール弁の特性を考慮して補正テーブルのデータを一括変更することで、学習結果を早期に制御に反映することができ、結果としてより高精度の制御をより早期に実行可能となる。
【発明の効果】
【００４２】
以上、説明したように、第１の発明に係るアクティブ除振装置によると、除振対象物を基礎に対し気体ばねで支持するとともに、この気体ばねの内圧を、比較的小流量だが高応答で且つ高精度のサーボ弁により調整して、除振対象物の振動を減殺するようにしたものにおいて、さらに、大流量化しても気体の消費の少ない比例弁を設けて、これにより除振対象物の高さの制御を行い、前記サーボ弁による除振対象物の振動制御と相互に補完し合うようにしたことで、除振対象物が大型化しても気体の消費量を著しく増大することなく、従来同様の高応答、高精度の振動制御を実現しながら、従来以上に高速でしかも安定性の高い位置制御を実現できる。
【００４３】
特に、非線形特性がある比例弁への制御入力を、気体の流量との間に線形関係が成り立つように補正すれば、制御の不安定化を招くことなく、位置制御のゲインを大きくして、応答性をさらに高めることができる。
【００４４】
また、第２の発明では、サーボ弁を用いることなく、除振対象物を支持する気体ばねの内圧を比例弁により調整して除振対象物の振動を減殺し、或いはその高さを維持するようにしたので、除振対象物が大型化しても気体の消費量を著しく増大することなく、比較的要求の緩い除振対象物に対応した所要の精度の振動制御を実現できるとともに、従来以上に高速で安定性の高い位置制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００４６】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る精密除振台Ａの一例を示し、この精密除振台Ａは、例えば、半導体関連の製造装置、試験機器や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、レーザ顕微鏡等の精密計測機器のように、振動の影響を受けやすい精密な装置を搭載して、それらを床の振動からできるだけ絶縁した状態で設置するためのものである。すなわち、図示の精密除振台Ａは、床面に設置された基礎構造部１と、その上面の４隅にそれぞれ配設された空気ばねユニット２，２，…（除振装置）とを備え、これら４つの空気ばねユニット２，２，…により支持された定盤３の上に前記精密装置などが搭載されるようになっている。
【００４７】
前記定盤３及びこれに搭載される装置が（厳密には以下に述べる空気ばねユニット２のトッププレート２３なども含めて）除振対象物になるが、図の例では、定盤３のみの場合を示している。尚、基礎構造部１は、鋼製角パイプの構造部材を概ね直方体形状となるように櫓組みしたものであり、符号４は脚部を、符号５，６はそれぞれ梁部を示している。また、符号７は、空気ばねユニット２の配設される水平板７であり、符号８，９は、それぞれキャスター、レベラーである。この図では、前記空気ばねユニット２のコントローラ３０や圧縮空気の給排系は示していない。
【００４８】
（空気ばねユニットの構成）
前記空気ばねユニット２には、以下に述べるように、上下方向の荷重を支持する空気ばね２０とセンサ３１〜３３、サーボ弁３４、比例弁３５などが設けられているとともに、これと同様の構成が水平方向の振動及び位置制御のために設けられているが、以下、便宜上、上下方向の荷重を支持する空気ばね２０などの構成のみについて説明する。
【００４９】
図２に模式的に示すように、この実施形態の空気ばねユニット２には、上下方向の荷重を支持するための空気ばね２０として、内部に空気が充填された空気室２１と、この空気室２１の上壁の開口部にダイヤフラムを介して気密状に内挿されたピストン２２とを備えたものが設けられている。ピストン２２の上面にはトッププレート２３が配置されており、一方、空気ばね２０のケース下端のベースプレート２４は、前記基礎構造部１の水平板７上に配置される。尚、前記空気ばね２０のピストン２２にジンバル機構を組み込んで、水平方向に非常に柔らかなばね特性が得られるようにすることもできる。
【００５０】
前記のように空気ばね２０を用いて荷重を支持するようにしているので、空気ばねユニット２，２，…は、基本的に優れた除振性能を有するものであるが、さらに、この実施形態では、空気ばね２０の内圧を制御して、定盤３などの除振対象物にその振動を減殺する制御力を付加するようにしている。
【００５１】
そのために、前記空気ばねユニット２には、まず、トッププレート２３の上下方向の加速度ｘ″と、ベースプレート２４に対するトッププレート２３の相対変位ｘ−ｘ0とを、それぞれ検出するための加速度センサ３１及び変位センサ３２が設けられている。また、ベースプレート２４の上下方向の加速度ｘ0″（基礎の振動状態）を検出する加速度センサ３３も設けられており、それら各センサ３１〜３３からの出力信号がそれぞれコントローラ３０に入力されるようになっている。
【００５２】
また、前記空気ばね２０には２つの配管２５，２６を介してサーボ弁３４及び電磁比例弁３５が個別に接続されている。このサーボ弁３４及び比例弁３５の作動によって、リザーバタンク３６から空気ばね２０の空気室２１に供給する圧縮空気の流量を調整したり、或いは空気室２１から排気する空気の流量を調整したりすることができる。尚、前記リザーバタンク３６には、図示しないがコンプレッサが接続されていて、その作動によりリザーバタンク３６内の空気圧を設定値に維持するようになっている。
【００５３】
そして、前記サーボ弁３４及び電磁比例弁３５がそれぞれ前記コントローラ３０により制御されて、空気ばね２０に対する圧縮空気の供給乃至排気流量を調整することにより、当該空気ばね２０の内圧を調整して、後述の如く除振対象物の振動を低減し、且つその高さ位置を維持するようになっている。尚、コントローラ３０は、詳細は図示しないが、マイクロコンピュータ、Ｉ／Ｏインタフェース、データバスの他、ＲＡＭ、ＲＯＭ、或いはＨＤＤ等のメモリを備えた従来周知の構造のものである。
【００５４】
ここで、前記サーボ弁３４は、図３に一例を示すようなノズル−フラッパ型の電空変換器からなる。この電空変換器は、電磁石３４ａの励磁によってアーマチャアと一体のフラッパ３４ｂが回動して、吸気側及び排気側の各ノズル３４ｃ，３４ｄの開度を無段階に変更するように構成されており、例えば図示の中立位置からフラッパ３４ｂを先端（図の下端）が排気側（図の左側）に寄るように回動させれば、吸気側の入口ポートＰから空気ばね２０に接続されている出口ポートＣへの空気流量が増大して、その空気ばね２０の空気室２１に圧縮空気を供給するようになる。
【００５５】
一方、前記フラッパ３４ｂを先端が吸気側（図の右側）に寄るように回動させれば、出口ポートＣから排気ポートＲへの空気流量が増大し、前記空気ばね２０の空気室２１から空気を排出するようになる。尚、符号３４ｅは、前記入口ポートＰ及び出口ポートＣにそれぞれ配設されたフィルタである。
【００５６】
そのように概ね常時、空気を流通させながらフラッパ３４ｂの回動角度の変更によって空気流量を変更するという構造のため、サーボ弁３４は、非常に応答性が高く、しかも微小な空気流量の制御が可能なものであるが、その反面、前記のような空気の給排を行わないときであっても、空気の一部が排気ポートＲから大気中に排気されることになるので、空気の消費量がかなり多くなってしまい、しかも、その空気消費量がサーボ弁３４の大流量化に伴い増大する、という欠点がある。
【００５７】
図４は、サーボ弁３４への制御入力に対する空気ばね２０の内圧の変化を出力として、その周波数応答を示すボード線図であり、同図によれば、サーボ弁３４の作動特性は一次遅れ系に近似できることが分かる。また、ゲインが小さく、無駄時間も小さいことから、前記したように応答性が高く、微小な空気流量の制御が可能なことが分かる。
【００５８】
これに対し、前記比例弁３５は、図１２に一例を示すように、スプール３５ａを電磁ソレノイド３５ｂによりカートリッジ３５ｃを介して駆動するスプール弁からなる。この比例弁３５は、前記サーボ弁３４と同様に、圧縮空気の供給側に連通する入口ポートＰと、空気ばね２０の空気室２１に連通する出口ポートＡと、大気に開放された排気ポートＲとを備え、それら３つのポートの相互の連通状態を前記スプール３５ａの軸方向の変位によって選択的に切換えるようになっている。
【００５９】
すなわち、例えば図示の如くスプール３５ａが中立位置からやや吸気ポートＰ寄りの軸方向一端側（同図の右側）に位置して、出口ポートＡと排気ポートＲとが連通されるときには、空気ばね２０に接続されている出口ポートＡから排気ポートＲへ空気が流れるようになり、空気ばね２０から空気を排気する排気状態になる。
【００６０】
また、図示はしないが、スプール３５ａを前記と反対の軸方向他端側（同図の左側）に移動させれば、入口ポートＰと出口ポートＡとを連通させて、空気ばね２０に圧縮空気を供給する給気状態になり、さらに、それらの中間で、スプール３５ａの軸方向中央の鍔部により出口ポートＡを閉塞すれば（中立位置）、空気ばね２０の空気圧を一定に維持するとともに、空気消費量を零にする閉止状態になる。
【００６１】
また、前記比例弁３５は、前記の給気状態及び排気状態においてそれぞれスプール３５ａの変位により各ポートの有効断面積を無段階に変化させて、空気の流量を調整可能なものであるが、そのように変位させるスプール３５ａの質量などの影響もあって前記サーボ弁３４に比べると応答性が低く、しかも、スプール位置制御の精度が相対的には低いことから、微小な空気流量の制御には不適な面がある。反面、前記閉止状態では空気消費量が零になるので、ポートなどを大型化して大流量化しても、前記サーボ弁３４のように空気消費量の増大を招くことはない。
【００６２】
尚、図示の符号３５ｄは、ポートＡ，Ｐ，Ｒの形成されたハウジングであり、符号３５ｅは、ハウジング３５ｄ内に嵌入されてスプール３５ａを軸方向に摺動自在に保持するスリーブである。
【００６３】
図５は、比例弁３５への制御入力に対する空気ばね２０の内圧の変化を出力として、その周波数応答を示すボード線図であり、比例弁３５の場合は、前記サーボ弁３４に比べてゲインが大きく、空気圧の調整量が大きい（つまり、相対的に大流量である）ものの、無駄時間も大きいことが分かる。尚、同図は、制御入力である電流の変化に比例して空気圧が変化する圧力型のものの特性を示している。
【００６４】
（空気ばねの内圧の制御）
上述の如きサーボ弁３４及び比例弁３５の特性を考慮して、この実施形態では、本発明の特徴部分として、２つの弁３４，３５による空気圧の調整が相互に補完し合うようにしている。すなわち、空気ばねユニット２毎の空気圧の制御は、概ね図６のブロック図に示すようになり、主に除振対象物の振動を低減するための制御が、図の右側に示す振動制御部３０ａによりサーボ弁３４を用いて行われる一方、主に除振対象物の高さ位置を維持するための制御が、図の左側に示す変位制御部３０ｂにより比例弁３５を用いて行われる。
【００６５】
尚、同図には、上述した空気ばねユニット２の構成の説明と同じく、便宜上、上下方向の空気ばね２０の制御についてのみ示しているが、これと同様の制御は水平方向の空気ばねについても行われる。
【００６６】
まず、前記振動制御部３０ａによるサーボ弁３４の制御について説明すると、これは、加速度センサ３１により検出される除振対象物の振動状態、即ちトッププレート２３の上下方向加速度ｘ″に基づいて、その振動を減殺するような制御力を空気ばね２０により発生させるものである。すなわち、検出された加速度ｘ″に対応するフィードバックゲインをＧcとし、この加速度ｘ″の微分に対応するフィードバックゲインをＧmとし、また、加速度ｘ″の積分に対応するフィードバックゲインをＧkとして、それぞれフィードバック補正値を演算し、これらを加算した後に反転して、サーボ弁３４への制御入力Ｕ１を決定する。
【００６７】
この制御入力Ｕ１に応じてサーボ弁３４のフラッパ３４ｂが回動し、これにより空気圧Ｆ１（圧縮空気）が空気ばね２０に供給されて、その内圧が変化することにより、除振対象物に制御力が付加される。そうして制御力が付加された後の除振対象物の振動状態（加速度ｘ″）は、該除振対象物及び空気ばね２０などよりなる制御対象（Ｐｌａｎｔ）から再びフィードバックされる。
【００６８】
そのように、除振対象物の振動状態をフィードバックしてサーボ弁３４を制御することにより、空気ばね２０の内圧を応答性良く変化させて、除振対象物の実際の振動状態に即した適切な制御力を発生させることができる。すなわち、上述したようにサーボ弁３４の応答性が非常に高く、微小な空気流量の制御ができることから、除振対象物の微小な振動に対し遅れなく、且つ高精度に空気ばね２０の内圧を変更することができるのである。これにより、除振対象物の振動をより高い周波数域まで低減することができ、しかも、収束性の高い安定な振動制御を実現できる。
【００６９】
図７は、前記振動制御部３０ａによるフィードバックループの周波数応答（開ループ伝達関数）を示す。この振動の制御では、位相交点Ｐ（位相がマイナス１８０°になるところ）が比較的高い周波数域に現れており、その周波数域においてゲインも比較的高いため、無駄時間の影響を受けやすい。そのため、仮に応答の遅い弁を使用したとすると、例えば図に仮想線で示すように位相遅れが大きくなり、位相交点Ｐにおけるゲイン余裕がなくなって不安定になると考えられるが、この実施形態では、前記のように高応答のサーボ弁３４を用いているため、十分なゲイン余裕があり、制御が不安定になることはない。
【００７０】
尚、前記のように加速度ｘ″、その微分値及び積分値にそれぞれ制御ゲインＧc、Ｇm、Ｇkを乗じてフィードバックすることで、見かけ上、空気ばね２０の系の減衰係数、質量及びばね定数が増加し、除振性能が向上する。すなわち、この実施形態のようにアクチュエータとして空気ばね２０を利用する場合、制御入力Ｕ１に比例するのはサーボ弁３４の開度であり、空気ばね２０の内圧は制御入力Ｕ１の積分に比例することになるから、前記のように加速度ｘ″に制御ゲインＧcを乗算してフィードバックすれば、この分の制御量が空気系で積分されて、絶対速度に比例する空気圧の変化を生じることになり、いわゆるスカイフックダンパの効果が得られるのである。
【００７１】
次に、前記変位制御部３０ｂによる制御について説明すると、これは、変位センサ３２により検出されるトッププレート２３の基礎に対する相対変位ｘ−ｘ0に基づいて、この相対変位が小さくなるように空気ばね２０の内圧を調整するものである。すなわち、図示の如く、検出した相対変位ｘ−ｘ0を目標値（零）から減算した後に、ＰＩＤ制御則に従って制御入力Ｕ２を求め、これを比例弁３５に入力する。
【００７２】
この制御入力Ｕ２に応じて比例弁３５のスプール３５ａの位置が変更され、これにより制御力としての空気圧Ｆ２（圧縮空気）が空気ばね２０に供給されて、その内圧が変化することで、除振対象物の位置は、基準位置からの変位が小さくなるように、即ち初期の設定高さになるように変更される。そうして変更された除振対象物の高さ位置（基礎に対する相対変位ｘ−ｘ0）が制御対象（Ｐｌａｎｔ）から再びフィードバックされる。
【００７３】
そのような比例弁３５による空気圧の調整は、上述したようにサーボ弁３４に比べればラフで応答性も低いものであるが、従来までのような機械式の圧力制御弁を用いる場合と比較すれば高精度且つ高応答であり、また、比例弁３５はサーボ弁３４と比較して大流量で空気圧の調整量が大きい（ゲインが大きい）ものなので、速やかに除振対象物の高さ位置を基準位置に戻すことができる。
【００７４】
しかも、前記比例弁３５は、その構造上、空気ばね２０の内圧を一定に維持するときには空気を消費しないので、除振対象物の大型化に対応して空気ばね２０の容量を大きくしたときに、これに応じて比例弁３５を大流量化して、変位制御の応答性を高めるようにしても、このことによって空気の消費量が過大になるという問題は生じない。
【００７５】
その上さらに、この実施形態では、上述の如くサーボ弁３４を用いた振動制御と、比例弁３５を用いた変位制御とを組み合わせたことで、たとえ上記のように空気ばね２０の容量が大きくなったとしても、制御の応答性及び安定性を両立することができる。
【００７６】
すなわち、上述の如く空気ばね２０をアクチュエータとして利用する場合に、この空気ばね２０の容量が大きいということは、時定数が大きくて、ゲインが低いということを意味し、制御応答性の低下が懸念される。このことは、定常的な微小振幅の振動の除振に関しては例えばフィードバックゲイン（制御ゲイン）の増大などで対応可能であり、実質的に問題にならないが、大振幅の振動が入力して変位を生じる場合には、サーボ弁３４だけでは流量が不足して、制御に著しい遅れを生じる虞れがある。
【００７７】
これに対し、前記の如くサーボ弁３４を用いた振動制御と比例弁３５を用いた変位制御とを組み合わせれば、例えば定盤３上に搭載された装置内のステージの移動などによって大振幅の振動が入力したとき、まず、加速度センサ３１の検出値に基づいてサーボ弁３４の制御が行われ、これにより空気ばね２０の内圧が遅れなく変更されるとともに、その振動入力に伴う除振対象物（定盤３など）の変位に応じて比例弁３５の制御が行われて、空気ばね２０への空気の給排が大流量で行われることにより、その内圧が速やかに変更される。
【００７８】
つまり、比較的容量の大きな空気ばね２０に対して大振幅の振動が入力したときでも、その空気圧を遅れなく、適切に且つ速やかに調整して、除振対象物の振動を応答性良く低減することができる。
【００７９】
その一方で、前記のように大きな変位（外乱）に対応する比例弁３５の制御によって、空気が大流量で給排されると、この結果として空気ばね２０の内圧に振動的な変化が生じることがあり、これにより除振対象物に余計な振動が付加される虞れがある。しかし、この振動は加速度センサ３１によって検出され、これに応じて、前記の如くサーボ弁３４による高応答且つ高精度の空気圧の調整（振動制御）が行われることによって、吸収される。つまり、除振対象物の位置は速やかに且つ安定的に基準位置に収束するようになる。
【００８０】
図８は、前記変位制御部３０ｂによるフィードバックループの周波数応答を示す。図示の位相曲線において位相交点Ｐが比較的低い周波数域に現れているが、これを含む高周波側の領域でゲインが低下しているため、無駄時間の影響は少なく、制御が安定なものとなることが分かる。一方、図に仮想線で示すのは、仮に前記振動制御部３０ａによるサーボ弁３４の制御を行わないようにした場合のものであり、このときには位相交点Ｐにおけるゲインが高くなっており、制御が不安定になることが分かる。
【００８１】
換言すれば、図８に実線で示すゲイン及び位相曲線は、上述の如く振動制御部３０ａによるサーボ弁３４の制御が行われることによって減衰が付加されて、変位制御部３０ｂによるフィードバック制御が安定化することを示している。
【００８２】
したがって、上述した実施形態１の精密除振台Ａによると、除振対象物を支持する複数の空気ばねユニット２，２，…において、それぞれ、空気ばね２０への空気の給排系に、比較的小流量だが高応答且つ高精度のサーボ弁３４と、比較的大流量の比例弁３５とを配設して、この両者による空気圧の調整が相互に補完し合うようにしたことで、除振対象物が大型化したときでも、空気の消費量が著しく増大することはなく、従来同様の高応答、高精度の振動制御を行えるとともに、従来以上に高速でしかも安定性の高い位置制御を実現できる。
【００８３】
（変形例）
上述の実施形態１では、図６に示すように、コントローラ３０の振動制御部３０ａ及び変位制御部３０ｂにおいてＰＩＤ制御則に従い制御入力Ｕ２を決定するようにしているが、これに限らず、現代制御理論の手法を適用することもできる。
【００８４】
例えば変位制御部３０ｂを変更した変形例を図９に示すと、まず、振動制御部３０ａを含めた制御対象（Ｐｌａｎｔ）のノミナルモデルＰｎを設定し、このノミナルモデルの逆関数Ｐｎ-1に変位センサ３２からの信号を入力して、制御量Ｕ２の位置での外乱を推定する。そして、この推定入力値から元々の制御入力の分を減算して外乱のみを抽出し、さらに相補感度関数Ｔを通過させて安定化した上で、フィードバックする。
【００８５】
こうすれば、前記変位制御部３０ｂは、前記制御対象からの出力（変位ｘ−ｘ0）に基づいて当該制御対象への外乱入力を推定する外乱オブザーバとしての機能を有し、この変位制御部３０ｂにより演算される制御入力Ｕ２は、外乱をちょうど打ち消すようなものとなるから、このようなフィードバック制御を行うことによって、前記実施形態のものと同等、或いはそれ以上に適切な制御力を発生させることができる。
【００８６】
尚、上述した実施形態１、及びその変形例の空気ばねユニット２において、変位制御部３０ｂは、除振対象物の基準位置からの変位が所定値以下のときには比例弁３５の制御を行わず、変位センサ３２からの信号に基づいてサーボ弁３４を制御するように構成してもよい。こうして、サーボ弁３４の制御により空気ばね２０の内圧を調整して、除振対象物の高さ位置を変更するようにすれば、その高さ位置の変位が例えば数ミクロン程度と非常に小さくて、前記した比例弁３５による空気圧の調整によっては制御不能な場合にも対応可能になり、これにより除振対象物の高さ位置を極めて正確に基準位置に維持することができる。
【００８７】
（実施形態２）
図１０は、本発明の実施形態２に係る除振装置Ａの空気ばねユニット２の構成を示す。この実施形態２のものは、比例弁３５のみによって空気ばね２０の圧力を調整し、これにより除振対象物の振動及び位置制御を行うようにしたものであり、その点を除いては前記実施形態１のものと同じ構成なので、同じ部材には同じ符号を付して、その説明は省略する。
【００８８】
また、図１１は、前記比例弁３５のみによる空気圧制御のブロック図であり、振動制御部３０ａにおける加速度ｘ″のフィードバックループにおいて主に除振対象物の振動を低減するための制御入力が決定される一方、変位制御部３０ｂにおける変位ｘのフィードバックループにおいて主に除振対象物の高さ位置を維持するための制御入力が決定され、この両者を合わせた制御入力Ｕが比例弁３５に与えられるようになっている。
【００８９】
尚、前記両図に示すのは上下方向の振動及び位置制御のための構成のみであり、これと同様の構成が水平方向の振動及び位置制御のためにも設けられているが、以下、便宜上、上下方向の構成のみについて説明する。
【００９０】
そして、この第２実施形態では、実施形態１のようにサーボ弁３４を用いることなく、比例弁３５のみによって振動制御も行うことから、この比例弁３５としては、構造自体は実施形態１のものと同様であるが、制御入力Ｕの変化に比例して空気の流量が変化する流量型のものを用い、スプール３５ａの軽量化や摩擦抵抗の低減、電磁ソレノイド３５ｂの大型化などによって、できるだけ動作を高速化するのが好ましい。
【００９１】
そうして動作を高速化したとしても、比例弁３５による空気圧制御の応答速度はサーボ弁３４に比べて低いので、振動制御のフィードバックゲインＧc、Ｇm、Ｇkはできるだけ大きく設定したいところであるが、前記図７を参照して既説したように、振動制御のフィードバックループは無駄時間の影響を受けやすく、応答の遅い比例弁３５を使用すると、制御ゲインを大きくした場合に不安定になり易い。
【００９２】
さらに、比例弁３５はスプール弁であり、上述したように、スプール３５ａの軸方向の変位によって３つのポートＡ，Ｐ，Ｒの連通状態を切換えるとともに、その各ポートＡ，Ｐ，Ｒの有効断面積を無段階に変化させて、空気の流量を調整するものであるから、この比例弁３５への制御入力Ｕと空気の流量との間には複雑な非線形関係があり、このことも前記した振動制御の不安定化を助長する虞れがある。
【００９３】
すなわち、比例弁３５への制御入力Ｕと空気流量との間の関係は、例えば図１３に実線で示すグラフのようになっていて、空気流量０の閉止状態を基準として制御入力Ｕが基準値Ｕ0とあまり変わらないときにはゲイン（グラフの傾き）が小さく、それよりも制御入力Ｕが大きくなるか或いは小さくなると、ゲインが大きくなり、さらに制御入力が大きくなるか或いは小さくなると、再びゲインは小さくなっている。
【００９４】
そのため、仮に振動制御のフィードバックゲインＧc、Ｇm、Ｇkを、前記比例弁３５のゲインが比較的小さな状態（制御量Ｕが基準値Ｕ0とあまり変わらないとき）でも、高い応答性が得られるように大きく設定すると、例えば装置内のステージの移動などによって大振幅の振動が入力したとき（大きな外乱）、これに対応して大きな制御入力Ｕが比例弁３５に与えられ、このときには比例弁３５のゲインも大きいことから、空気ばね２０に給排する空気流量の変化が過度に大きくなってしまい、不安定化を招くのである。
【００９５】
そのように振動制御を行う場合に特に問題になる比例弁３５の非線形性に着目して、この実施形態では、前記図１１のようなフィードバックループにおいて除振対象物の加速度ｘ″や変位ｘに基づいて決定した制御入力Ｕを補正して、この制御入力Ｕと比例弁３５の空気流量との間の関係が線形となるようにしている。より具体的には、そのように補正する前後の制御入力Ｕ，Ｕ′の値を互いに対応付けて予め設定した補正テーブルを準備し、前記の如く除振対象物の加速度ｘ″等に基づいて決定（仮決定）した制御入力Ｕに対応する補正後の制御入力Ｕ′を読み取って、これを比例弁３５に入力するようにする。
【００９６】
そのような補正のイメージは、図１３に示すように、比例弁３５への制御入力Ｕと空気流量との間の非線形関係を表す実特性（実線のグラフ）と、比例弁３５への制御入力Ｕと空気流量との間の関係が線形となるように予め設定した理想特性（破線のグラフ）とを対比し、図１１のようにフィードバックループによって求められた制御入力Ｕから、前記理想特性に基づいて目標とする空気流量を求め、この目標空気流量を得るために必要な実際の制御入力Ｕ′を前記実特性から求めるというものである。
【００９７】
こうして補正した制御入力Ｕ′を比例弁３５に与えるようにすれば、この比例弁３５から空気ばね２０へ供給される空気の流量と、補正前の制御入力Ｕとの間には線形関係が成立するので、振動制御のフィードバックループにおける制御ゲインＧc、Ｇm、Ｇkの値を、比例弁３５のゲインが比較的小さな状態でも所要の応答性が得られるよう大きめに設定しても、制御量に依らず制御特性が一定であるため、不安定化の問題を招くことはない。
【００９８】
したがって、この実施形態２の精密除振台Ａでは、空気量の消費が多いサーボ弁３４を用いず、電磁比例弁３５のみによって空気ばね２０の圧力を調整し、これにより除振対象物の振動及び位置制御を行うようにしたから、振動制御の応答性自体は実施形態１に比べて低くなるとしても、比較的要求の緩い除振対象物に対しては十分な実用性が得られる。
【００９９】
また、そうして応答性を高める際に特に問題になる比例弁３５の非線形性を補正して、制御入力Ｕと空気流量との間に線形関係が成り立つようにしたから、比例弁３５の制御ゲインを或る程度、大きくしても、不安定にはなり難い。しかも、制御入力Ｕの補正は補正テーブルを用いて行うようにしたから、補正に要する時間が短くなり、この点でも制御応答性の向上に有利になる。
【０１００】
さらに、この実施形態２の場合も、上述した実施形態１のものと同じく、比例弁３５による空気圧の調整は機械式の圧力制御弁と比較すれば高精度且つ高応答であり、サーボ弁３４と比較しても空気圧の調整量は大きい（ゲインが大きい）から、高速で安定性の高い位置制御が行える。しかも、前記の如く比例弁３５の非線形性を補正して、制御入力Ｕと空気流量との間に線形関係が成り立つようにしたから、位置制御においても制御の不安定化を防止しつつ、制御ゲインを大きくして応答性を高めることができる。そして、勿論、除振対象物の大型化に対応して空気ばね２０の容量を大きくし、これに応じて比例弁３５を大流量化しても、サーボ弁３４のような空気の消費量増大の問題は生じない。
【０１０１】
尚、前記図１３に示す比例弁３５の実特性には個体ばらつきがあり、経年変化も考えられるが、スプール弁の場合は特性そのもの、即ち図示のグラフの形状自体が大きく異なることは少なく、グラフが全体として制御入力Ｕの軸（横軸）方向にずれるようなばらつきを生じると考えられる。
【０１０２】
そこで、例えば空気ばね２０の内圧を計測する圧力センサ（検出手段）を備え、これによる検出値（比例弁３５から空気ばね２０への空気の供給流量に関連する値）に基づいて、その検出値と目標空気流量との偏差が小さくなるように補正テーブルのデータを変更する、所謂学習制御を行うことが考えられる。この際、前記のようなスプール弁の特性を考慮して、例えば図示のグラフを横軸の方向にずらすように、すなわち、補正後の制御入力Ｕ′の値が補正前の制御入力Ｕの値に対して一律に変化するように、前記検出値と目標空気流量との偏差に応じて補正テーブルのデータを一括して変更することが好ましい。
【０１０３】
すなわち、例えば、空気ばね２０の内圧の変化から推定した空気流量が目標空気流量よりも小さければ、図１３において実線のグラフが右側にシフトするように、即ち、補正後の制御入力Ｕ′の値が予め設定した所定値だけ一律に増大するように、補正テーブルのデータを変更すればよい。一方、推定した空気流量が目標空気流量よりも大きければ、グラフが左側にシフトするように、即ち、補正後の制御入力Ｕ′の値が一律に減少するように補正テーブルのデータを変更すればよい。
【０１０４】
このような学習制御によれば、比例弁３５の個体ばらつきや経年変化を吸収して、より精度の高い振動制御を行うことができる。しかも、スプール弁である比例弁３５の特性を考慮して、補正テーブルのデータを一括して変更することで、学習結果を振動制御に早期に反映することができ、結果として、より高精度の制御をより早く実行することができる。この場合には、そのような学習制御のプログラムを実行するコントローラ３０が、学習手段を構成する。
【０１０５】
また、前記のように比例弁３５の空気流量を推定するためには例えば加速度センサ３１の出力を利用することもでき、或いは、比例弁３５と空気ばね２０との配管２６に空気流量センサを設けてもよい。また、比例弁３５のスプール３５ａの位置を検出するセンサの信号を併用することもできる。
【０１０６】
（変形例）
上述の実施形態２では、比例弁３５への制御入力Ｕを補正するための補正特性として、予め準備した補正テーブルを用いているが、これに限らず補正計算式を用いることも可能である。例えば、図１３に実線のグラフで示す比例弁３５の実特性は、制御入力Ｕが基準値Ｕ0以上の場合について、空気流量をｆ（Ｕ）として、次のような４次式で近似することができる。 ｆ（Ｕ） ＝ ａ×Ｕ4＋ｂ×Ｕ3＋ｃ×Ｕ2＋ｄ×Ｕ＋ｅ 尚、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは所定の係数である。
【０１０７】
そして、同図に破線のグラフで示す理想特性が１次式ｇ（Ｕ）と表せるので、補正前の制御入力Ｕを補正後の制御入力Ｕ′に変換する補正計算式は、一般的に次のように表すことができる。 Ｕ′ ＝ ｆ-1（ｇ（Ｕ）） 同様に制御入力Ｕが基準値Ｕ0未満の場合についても補正計算式を定義することができる。但し、一般には逆関数を求めることは難しいので、前記実施形態２のように補正テーブルを用いる方が好ましい。
【０１０８】
（他の実施形態）
本発明の構成は、前記実施形態１、２のものに限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。すなわち、例えば前記各実施形態の空気ばねユニット２においては除振対象物の振動状態を検出するために、加速度センサ３１を空気ばね２０のトッププレート２３に配設しているが、これは速度センサであってもよいし、それらのセンサは前記トッププレート２３に限らず、定盤３或いはその上に搭載される装置に取り付けることもできる。また、空気ばね２０に代えて、空気以外の気体を封入した気体ばねを用いることもできる。
【０１０９】
また、前記各実施形態の空気ばねユニット２において、上述したフィードバックによる振動制御に加えて、フィードフォワード制御も行うようにしてもよい。すなわち、図示はしないが、加速度センサ３３からの信号に基づいてベースプレート２４の振動状態を検出し、ここから空気ばね２０を通して除振対象物に伝達される微小な振動を推定して、この伝達振動を減殺する逆位相の制御力を空気ばね２０が発生するように、その内圧をサーボ弁３４、比例弁３５により制御すればよい。こうすることで、除振対象物の振動をより一層、低減することができる。
【０１１０】
さらに、前記実施形態１及びその変形例のようにサーボ弁３４により振動制御を、比例弁３５により位置制御を行う場合にも、前記実施形態２の如く比例弁３５への制御入力Ｕ２を補正するようにすることが好ましい。こうすれば、前記比例弁３５による位置制御の不安定化を防止しつつ、制御ゲインを大きくして応答性を高めることができるからである。また、この場合には、補正テーブルの学習制御も併せて行うことが好ましいことは言うまでもない。
【０１１１】
さらにまた、前記各実施形態では、定盤３を４つの空気ばねユニット２，２，…により支持する例について説明したが、空気ばねユニット２の個数が４つに限られないことは言うまでもなく、それは例えば３つであってもよいし、５つ以上であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
以上、説明したように、本発明に係る除振装置（空気ばねユニット２）は、除振対象物の大型化に対応して、例えば空気ばねの容量を大きくしても、空気消費量の著しい増大を招くことなく、所要の応答性及び精度の振動制御を可能としながら、高速の位置制御も実現できるものなので、例えば半導体や液晶関連の製造装置のように、大型であるにも拘わらず、高度の除振・制振が求められる装置を設置するために好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】精密除振台の概略構成を示す図である。
【図２】実施形態１の空気ばねユニットの空気圧制御系の構成図である。
【図３】サーボ弁の概略構成を示す図である。
【図４】サーボ弁の作動特性を示すボード線図
【図５】比例弁についての図４相当図である。
【図６】空気圧制御の構成を示すブロック図である。
【図７】振動制御部の周波数応答を示すボード線図である。
【図８】変位制御についての図７相当図である。
【図９】現代制御理論を適用した変形例に係る図６相当図である。
【図１０】実施形態２に係る図２相当図である。
【図１１】同図６相当図である。
【図１２】比例弁の概略構成を示す図である。
【図１３】制御入力の補正の説明図である。
【符号の説明】
【０１１４】
Ａ 精密除振台
１ 基礎構造部（基礎）
２ 空気ばねユニット
３ 定盤（除振対象物）
２０ 空気ばね
２３ トッププレート（除振対象物）
２４ ベースプレート（基礎）
３０ コントローラ（制御手段、学習手段）
３０ａ 振動制御部（振動制御手段）
３０ｂ 変位制御部（変位制御手段）
３１ 加速度センサ（振動センサ、センサ）
３２ 変位センサ（位置センサ、センサ）
３３ 加速度センサ（別の振動センサ、センサ）
３４ サーボ弁
３５ 電磁比例弁
３５ａ スプール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体関連装置や精密計測装置など、振動の影響を受けやすい精密な装置の設置に用いられる除振装置に関し、特に、それらの除振対象物を支持した気体ばねの内圧を変更することによって、振動を減殺する振動制御の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の除振装置としては、例えば、特許文献１に開示されるように、空気ばねを介して支持した除振対象物（荷）の振動や位置をセンサにより検出し、この検出信号をフィードバックしてコントローラによりアクチュエータを駆動することにより、該除振対象物にその振動を減殺するような振動的な制御力を付加するようにしたアクティブタイプのものが知られている。
【０００３】
このものではアクチュエータとして空気ばね自体を利用するようにしており、その空気ばねに対する空気の給排系にサーボ弁を配設し、これをコントローラにより制御して、空気ばねの内圧を変化させることにより、除振対象物の振動を減殺するような制御力を発生させるとともに、除振対象物の高さ位置を維持するように、空気ばねの内圧を調整するようにしている。
【０００４】
また、特許文献２、３などには、前記のものと同様に、フィードバックしたセンサ信号に基づいて電気空圧アナログ弁を制御して、空気ばねに制御力としての空気圧を注入するようにしたアクティブ振動絶縁装置において、さらに、除振対象物の高さ位置（レベル）の変動に応じて機械的に作動し、空気ばねに空気圧を注入する圧力調整弁を備えることが開示されている。
【０００５】
ところで、そのように空気ばね自体をアクチュエータとして利用する場合には、除振対象物の振動をより高い周波数域まで低減可能とし、且つ安定なフィードバックを実現するために、前記前者の従来例（特許文献１）のように、応答性が高く、微小な制御が可能なサーボ弁を用いて、空気圧を調整するのが一般的である。
【０００６】
しかし、サーボ弁は、その構造上、空気圧を一定に維持するときであっても空気を消費し、しかも、その空気消費量がバルブの大流量化に伴い増大するという特性を有するため、除振対象物の大型化に対応して空気ばねの容量を大きくし、これに応じてサーボ弁を大流量化すると、空気消費量が多くなり過ぎて現実には使用できないという事態を招く。このことは空気ばねやサーボ弁の数を増やした場合でも同様である。
【０００７】
一方、前記後者の従来例（特許文献２、３）には、空気圧制御のためにサーボ弁、電気空圧比例弁を用いる、旨の記載があり、仮に比例弁を用いるようにすれば前記した空気消費量の問題は生じないが、一般に比例弁による空気圧制御の応答速度はサーボ弁に比べてかなり低いので、前記のような振動制御には不向きであると考えられている。
【０００８】
この点につき、特許文献４には、比例弁としてスプール弁を用い、その動作速度を最大限に高めることによって、応答性を高めることが提案されている。すなわち、比例弁の弁体（スプール）を静圧軸受によってハウジングに非接触状態で支持するとともに、その端部に設けた強力なボイスコイルモータによって直接駆動する。さらに、そのモータの制御をスプールの変位及び速度の検出信号に基づくフィードバック制御として、オーバシュートのような無駄な動きを抑制しながら、スプールを最大限、迅速に動作させるのである。
【特許文献１】特許第３３７２９７５号公報
【特許文献２】特開平４−２６２１４４号公報
【特許文献３】特開平６−５０３８２号公報
【特許文献４】特開２００５−１４７３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、仮に前記提案例（特許文献４）の振動制御装置のようにスプールの動作速度を最大限に高めて、これによる空気圧制御の応答性を高めたとしても、サーボ弁ほど高い応答性は得られない。従って、提案例のものは、比較的要求の緩やかな除振装置には実用可能であっても、例えばミクロンオーダの微細加工を行う半導体製造装置のような厳しい振動制御の要求には応えられない場合がある。
【００１０】
また、スプール弁は、筒状のハウジングに形成された複数のポート同士の連通状態を、スプールの軸方向変位によって切換えるとともに、その連通路の断面積を無段階に変化させて空気の流量を調整するという構造であり、空気ばねへの給気状態と排気状態との間に不感帯が存在するとともに、スプールの変位と空気流量の変化とが比例せず、両者の間には複雑な非線形関係があるので、制御の応答性を高めるために制御ゲインを大きく設定すると、不安定になり易いという問題もある。
【００１１】
尚、後者の従来例（特許文献２、３）のように、高さ位置の調整のために機械的に作動する圧力調整弁を用いた場合、除振対象物の高さ位置の変動に対する空気圧の調整遅れが大きく、また、構造上、精度の高い位置制御は困難であるとともに、基礎に設置した圧力調整弁の変位検出部が除振対象に常に接触することになるので、ここから振動が伝わってしまうという不具合も生じる。
【００１２】
本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、気体ばねをアクチュエータとして利用するアクティブ除振装置において、その気体ばねに気体を給排するための構成に工夫を凝らして、除振対象物が大型化しても気体の消費量の著しい増大を招くことなく、所要の応答性及び精度の得られる振動及び位置の制御を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の解決手段は、従来までと同様に除振対象物の振動状態に基づいてサーボ弁を制御し、これにより気体ばねの内圧を変化させて制御力を発生させるとともに、当該除振対象物の高さ位置の変化に対応して、電磁比例弁により気体ばねの内圧を調整するようにしたものである。
【００１４】
具体的に、請求項１の発明は、除振対象物を基礎に対し気体ばねで支持するとともに、該除振対象物の振動状態を検出するための振動センサと、前記気体ばねの内圧を調整するためのサーボ弁とを備え、このサーボ弁を前記振動センサからの信号に基づいて制御することにより、前記気体ばねの内圧を変更して、前記除振対象物にその振動を減殺する制御力を付加するようにしたアクティブ除振装置を対象とする。
【００１５】
そして、前記除振対象物の基礎に対する高さ位置を検出するための位置センサと、前記気体ばねにその内圧を調整可能に接続された電磁比例弁と、該電磁比例弁を前記位置センサからの信号に基づいて制御することにより、前記除振対象物の基準位置からの変位が小さくなるように前記気体ばねの内圧を調整する変位制御手段とを備える構成とする。
【００１６】
前記の構成により、まず、除振対象物の振動が振動センサにより検出されたときには、この振動センサからの信号に基づいてサーボ弁が制御され、これにより気体ばねの内圧が微小に且つ高精度に変更されて、前記除振対象物に制御力が付加される。この制御力によって除振対象物の振動が減殺される（振動制御）。その際、前記サーボ弁が高応答で、微小な気体圧の調整も可能なものであるから、除振対象物の微小な振動に対し遅れなく、且つ高精度に気体ばねの内圧を変更することができ、除振対象物の振動をより高い周波数域まで低減し、且つ安定な振動制御を実現することができる。
【００１７】
また、前記除振対象物の基礎に対する高さ位置が変化すると、位置センサからの信号に基づいて変位制御手段により電磁比例弁が制御されて、除振対象物の変位が小さくなるように気体ばねの内圧が調整される（位置制御）。そして、その比例弁による気体圧の調整が前記サーボ弁に比べればラフで応答性も低いものであっても、従来例（特許文献２、３）のような機械式の圧力制御弁と比較すれば高精度且つ高応答であり、また、サーボ弁と比較して気体圧の調整量は大きい（ゲインが大きい）から、除振対象物の高さ位置を速やかに基準位置に戻すことができる。
【００１８】
しかも、前記比例弁は、その構造上、気体ばねの内圧を一定に維持するときには気体を消費しないので、除振対象物の大型化に対応して気体ばねの容量を大きくしたときに、これに応じて比例弁を大流量化したとしても、サーボ弁のような気体の消費量増大の問題は生じない。
【００１９】
さらに、そのように気体ばねの容量を大きくしたときでも、前記のようにサーボ弁及び比例弁を組合せたことで、前記の振動制御及び位置制御において高い応答性及び安定性を両立できる。
【００２０】
すなわち、気体ばねの容量が大きいということは、これをアクチュエータとして見たときには、時定数が大きくて、ゲインが低いということであり、これに対する気体の給排流量を増大させないとすれば、制御応答性の低下が懸念される。このことは、定常的な微小振幅の振動の除振については位置制御に比べて制御力がかなり小さくてよいため、制御ゲインの増大で十分に対応でき、問題にはならないが、例えば装置内のステージが移動するときのように大きな振動が発生して変位が生じる場合には、気体ばねの容量が大きいとサーボ弁だけでは流量が不足し、位置の制御に遅れを生じることになる。
【００２１】
これに対し、前記構成の如くサーボ弁及び比例弁を組合せれば、大振幅の振動の入力に対して、まずサーボ弁の作動によって気体の給排が高応答に行われるとともに、その振動入力に伴う除振対象物の変位に対応して比例弁の作動による気体の給排が大流量で行われることになるから、気体ばねの容量が大きいときでも、その内圧を遅れなく、且つ適切に制御することが可能になる。
【００２２】
その一方で、前記のように比例弁による気体の給排が大流量で行われるときには、このことに起因して気体ばねの内圧に振動的な変化（オーバーシュート）を生じることがあり、比例弁の特性が非線形であることから、制御の不安定化を招く虞れもあるが、このような気体圧の振動的な変化は、前記したサーボ弁による気体圧の微小且つ高精度の調整（振動制御）によって吸収可能であり、これにより除振対象物の位置を速やかに且つ安定的に基準位置に収束させることができる。
【００２３】
斯くして、前記の構成によれば、比較的小流量だが高応答且つ高精度のサーボ弁による気体圧制御と、比較的大流量の比例弁による気体圧制御とを組み合わせて、相互に補完し合うようにしたことで、除振対象物が大型化しても気体の消費量が著しく増大することはなく、従来同様の高応答、高精度の振動制御が行えるとともに、従来以上に高速でしかも安定性の高い位置制御を行うことができる。
【００２４】
前記構成のアクティブ除振装置において、好ましいのは、前記振動センサを、除振対象物の加速度を検出する加速度センサ、又は該除振対象物の速度を検出する速度センサの少なくとも一方とし、その加速度センサ乃至速度センサからの信号に基づいてサーボ弁を制御することにより、前記除振対象物に制御力が付加されるように気体ばねの内圧を変更する振動制御手段を備えることである（請求項２の発明）。
【００２５】
こうして加速度センサ乃至速度センサからの信号をフィードバックして、振動制御手段によりサーボ弁を制御することにより、除振対象物に対しその振動を減殺するように適切な制御力を付加することができる。
【００２６】
その場合に、より好ましいのは、基礎の加速度乃至速度を検出する少なくとも１つの別の振動センサをさらに備え、この別の振動センサからの信号に基づいて前記振動制御手段によりサーボ弁を制御することで、除振対象物に前記基礎からの伝達振動を減殺する制御力が付加されるように、気体ばねの内圧を変更することである（請求項３の発明）。
【００２７】
こうして基礎（床）の加速度乃至速度を検出して、そこから気体ばねを通して除振対象物に伝達される微小な振動を推定し、この伝達振動を減殺するように例えば逆位相の制御力を付加することによって、除振対象物の振動をより一層、低減することができる。
【００２８】
また、前記構成のアクティブ除振装置において、変位制御手段を、除振対象物の基準位置からの変位が所定値以下のときには電磁比例弁の制御を行わず、位置センサからの信号に基づいてサーボ弁を制御することにより、前記除振対象物の変位が小さくなるように気体ばねの内圧を調整するものとすることもできる（請求項４の発明）。
【００２９】
こうすれば、除振対象物の基準位置からの変位が例えば数ミクロン程度と非常に小さくて、前記比例弁による気体圧の調整によっては位置の制御が困難な場合に、変位制御手段により位置センサからの信号に基づいてサーボ弁の制御が行われ、これにより気体ばねの内圧が高精度に調整されることによって、前記除振対象物の位置を極めて正確に基準位置に戻すことができる。
【００３０】
さらに、前記変位制御手段は、電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を線形に補正するための補正特性を記憶していて、この補正特性に基づいて前記電磁比例弁への制御入力を補正するものとすることもできる（請求項５の発明）。こうすれば、前記比例弁への制御入力を、気体の流量との間の関係が線形になるように補正することができるので、制御の不安定化を防止しつつ、比例弁の制御ゲインを大きくして応答性を高めることができる。
【００３１】
次に、本発明の第２の解決手段は、上述した提案例（特許文献４）のように比例弁を高速化できることを考慮して、この比例弁だけで前記のように気体ばねの内圧を調整し、振動及び位置の制御を行うようにするとともに、そうして高速化した比例弁によって振動制御を行う場合に特に問題になる当該比例弁の非線形性を補償するようにしたものである。
【００３２】
具体的に、請求項６の発明は、除振対象物を基礎に対し気体ばねで支持してなり、その除振対象物の振動状態及び基礎に対する高さ位置の少なくとも一方を検出するためのセンサと、前記気体ばねにその内圧を調整可能に接続された電磁比例弁と、この電磁比例弁を前記センサからの信号に基づいて制御することにより、前記除振対象物の基準位置からの変位が小さくなるか、或いは前記除振対象物にその振動を減殺する制御力が付加されるかの少なくとも一方となるように前記気体ばねの内圧を調整する制御手段と、を備えたアクティブ除振装置において、さらに、前記制御手段を、前記電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を線形に補正するための補正特性を記憶していて、この補正特性に基づいて前記電磁比例弁への制御入力を補正するように構成したものである。
【００３３】
前記の構成により、除振対象物の振動状態や高さ位置の変化がセンサにより検出されたときには、このセンサからの信号に基づいて制御手段により電磁比例弁が制御され、これにより気体ばねの内圧が調整されて、前記除振対象物の振動を低減する振動制御が行われるか、該除振対象物の位置を一定に保つ位置制御が行われるか、或いはそれら両方の制御が行われる。
【００３４】
そうして行われる比例弁による振動制御は、サーボ弁に比べれば応答性が低いものの、比例弁の動作を高速化すれば、比較的要求の緩い除振対象物に対しては実用可能である。しかも、前記比例弁への制御入力は、気体の流量との間の関係が線形になるように補正されるので、比例弁の制御ゲインを大きくして応答性を高めても、不安定にはなり難い。
【００３５】
また、上述したように、比例弁による気体圧の調整は機械式の圧力制御弁と比べれば高精度且つ高応答であり、サーボ弁と比較しても気体圧の調整量は大きい（ゲインが大きい）から、高速で安定性の高い位置制御を行うことができる。しかも、前記の如く比例弁への制御入力を補正して、気体の流量との間の関係を線形化することで、位置制御においても制御の不安定化を防止しつつ、比例弁の制御ゲインを大きくして応答性を高めることができる。そして、勿論、除振対象物の大型化に応じて比例弁を大流量化しても、サーボ弁のような気体の消費量増大の問題は生じない。
【００３６】
尚、前記センサとしては、除振対象物の加速度又は速度を検出するための振動センサや除振対象物の基礎に対する高さ位置を検出するための位置センサが考えられる。また、そうして除振対象物の振動状態乃至高さ位置の検出値に基づいて、比例弁を制御する他に、基礎の加速度乃至速度を検出する少なくとも１つの振動センサをさらに備え、この振動センサからの信号に基づいて制御手段により比例弁を制御することにより、除振対象物に基礎からの伝達振動を減殺する制御力が付加されるように、気体ばねの内圧を変更するようにしてもよい。
【００３７】
ここで、前記の補正特性としては、例えば前記制御手段においてセンサからの信号に基づいて求めた制御入力の値を、予め設定した演算式により補正演算することもできるが、制御応答性を高めるという観点からは、補正前後の制御入力値を互いに対応付けて設定した補正テーブルを準備し、制御手段は、センサからの信号に基づいて仮決定した制御入力値に対応する補正後の制御入力値を前記補正テーブルから読み取って、これにより電磁比例弁を制御するものとするのがよい（請求項７の発明）。
【００３８】
その補正テーブルは、例えば、電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を表す実特性と、該電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の関係が線形となるように予め設定した理想特性と、を対比し、この理想特性に基づいて補正前の制御入力値に対応する目標気体流量を求め、この目標気体流量に対応する補正後の制御入力値を前記実特性から求めたものとすればよい。
【００３９】
好ましいのは、前記電磁比例弁から気体ばねへの気体の供給流量に関連する値を検出する検出手段と、該検出手段による検出値と目標気体流量との偏差が小さくなるように補正テーブルのデータを変更する学習手段と、をさらに備えることである（請求項８の発明）。こうすれば、電磁比例弁の個体ばらつきを学習して、補正テーブルのデータを更新することにより、その個体ばらつきを吸収して、比例弁への制御入力と気体の流量との関係をさらに理想特性に近づけることができ、これにより制御性をさらに向上できる。
【００４０】
その場合に、より好ましいのは、前記比例弁としてスプール弁を用い、検出手段による検出値と目標気体流量との偏差に基づいて、補正テーブルに設定されている補正後の制御入力値が補正前の制御入力値に対して一律に変化するように、該補正テーブルのデータを一括して変更する学習手段を備えることである（請求項９の発明）。
【００４１】
このようにスプール弁の特性を考慮して補正テーブルのデータを一括変更することで、学習結果を早期に制御に反映することができ、結果としてより高精度の制御をより早期に実行可能となる。
【発明の効果】
【００４２】
以上、説明したように、第１の発明に係るアクティブ除振装置によると、除振対象物を基礎に対し気体ばねで支持するとともに、この気体ばねの内圧を、比較的小流量だが高応答で且つ高精度のサーボ弁により調整して、除振対象物の振動を減殺するようにしたものにおいて、さらに、大流量化しても気体の消費の少ない比例弁を設けて、これにより除振対象物の高さの制御を行い、前記サーボ弁による除振対象物の振動制御と相互に補完し合うようにしたことで、除振対象物が大型化しても気体の消費量を著しく増大することなく、従来同様の高応答、高精度の振動制御を実現しながら、従来以上に高速でしかも安定性の高い位置制御を実現できる。
【００４３】
特に、非線形特性がある比例弁への制御入力を、気体の流量との間に線形関係が成り立つように補正すれば、制御の不安定化を招くことなく、位置制御のゲインを大きくして、応答性をさらに高めることができる。
【００４４】
また、第２の発明では、サーボ弁を用いることなく、除振対象物を支持する気体ばねの内圧を比例弁により調整して除振対象物の振動を減殺し、或いはその高さを維持するようにしたので、除振対象物が大型化しても気体の消費量を著しく増大することなく、比較的要求の緩い除振対象物に対応した所要の精度の振動制御を実現できるとともに、従来以上に高速で安定性の高い位置制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００４６】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る精密除振台Ａの一例を示し、この精密除振台Ａは、例えば、半導体関連の製造装置、試験機器や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、レーザ顕微鏡等の精密計測機器のように、振動の影響を受けやすい精密な装置を搭載して、それらを床の振動からできるだけ絶縁した状態で設置するためのものである。すなわち、図示の精密除振台Ａは、床面に設置された基礎構造部１と、その上面の４隅にそれぞれ配設された空気ばねユニット２，２，…（除振装置）とを備え、これら４つの空気ばねユニット２，２，…により支持された定盤３の上に前記精密装置などが搭載されるようになっている。
【００４７】
前記定盤３及びこれに搭載される装置が（厳密には以下に述べる空気ばねユニット２のトッププレート２３なども含めて）除振対象物になるが、図の例では、定盤３のみの場合を示している。尚、基礎構造部１は、鋼製角パイプの構造部材を概ね直方体形状となるように櫓組みしたものであり、符号４は脚部を、符号５，６はそれぞれ梁部を示している。また、符号７は、空気ばねユニット２の配設される水平板７であり、符号８，９は、それぞれキャスター、レベラーである。この図では、前記空気ばねユニット２のコントローラ３０や圧縮空気の給排系は示していない。
【００４８】
（空気ばねユニットの構成）
前記空気ばねユニット２には、以下に述べるように、上下方向の荷重を支持する空気ばね２０とセンサ３１〜３３、サーボ弁３４、比例弁３５などが設けられているとともに、これと同様の構成が水平方向の振動及び位置制御のために設けられているが、以下、便宜上、上下方向の荷重を支持する空気ばね２０などの構成のみについて説明する。
【００４９】
図２に模式的に示すように、この実施形態の空気ばねユニット２には、上下方向の荷重を支持するための空気ばね２０として、内部に空気が充填された空気室２１と、この空気室２１の上壁の開口部にダイヤフラムを介して気密状に内挿されたピストン２２とを備えたものが設けられている。ピストン２２の上面にはトッププレート２３が配置されており、一方、空気ばね２０のケース下端のベースプレート２４は、前記基礎構造部１の水平板７上に配置される。尚、前記空気ばね２０のピストン２２にジンバル機構を組み込んで、水平方向に非常に柔らかなばね特性が得られるようにすることもできる。
【００５０】
前記のように空気ばね２０を用いて荷重を支持するようにしているので、空気ばねユニット２，２，…は、基本的に優れた除振性能を有するものであるが、さらに、この実施形態では、空気ばね２０の内圧を制御して、定盤３などの除振対象物にその振動を減殺する制御力を付加するようにしている。
【００５１】
そのために、前記空気ばねユニット２には、まず、トッププレート２３の上下方向の加速度ｘ″と、ベースプレート２４に対するトッププレート２３の相対変位ｘ−ｘ0とを、それぞれ検出するための加速度センサ３１及び変位センサ３２が設けられている。また、ベースプレート２４の上下方向の加速度ｘ0″（基礎の振動状態）を検出する加速度センサ３３も設けられており、それら各センサ３１〜３３からの出力信号がそれぞれコントローラ３０に入力されるようになっている。
【００５２】
また、前記空気ばね２０には２つの配管２５，２６を介してサーボ弁３４及び電磁比例弁３５が個別に接続されている。このサーボ弁３４及び比例弁３５の作動によって、リザーバタンク３６から空気ばね２０の空気室２１に供給する圧縮空気の流量を調整したり、或いは空気室２１から排気する空気の流量を調整したりすることができる。尚、前記リザーバタンク３６には、図示しないがコンプレッサが接続されていて、その作動によりリザーバタンク３６内の空気圧を設定値に維持するようになっている。
【００５３】
そして、前記サーボ弁３４及び電磁比例弁３５がそれぞれ前記コントローラ３０により制御されて、空気ばね２０に対する圧縮空気の供給乃至排気流量を調整することにより、当該空気ばね２０の内圧を調整して、後述の如く除振対象物の振動を低減し、且つその高さ位置を維持するようになっている。尚、コントローラ３０は、詳細は図示しないが、マイクロコンピュータ、Ｉ／Ｏインタフェース、データバスの他、ＲＡＭ、ＲＯＭ、或いはＨＤＤ等のメモリを備えた従来周知の構造のものである。
【００５４】
ここで、前記サーボ弁３４は、図３に一例を示すようなノズル−フラッパ型の電空変換器からなる。この電空変換器は、電磁石３４ａの励磁によってアーマチャアと一体のフラッパ３４ｂが回動して、吸気側及び排気側の各ノズル３４ｃ，３４ｄの開度を無段階に変更するように構成されており、例えば図示の中立位置からフラッパ３４ｂを先端（図の下端）が排気側（図の左側）に寄るように回動させれば、吸気側の入口ポートＰから空気ばね２０に接続されている出口ポートＣへの空気流量が増大して、その空気ばね２０の空気室２１に圧縮空気を供給するようになる。
【００５５】
一方、前記フラッパ３４ｂを先端が吸気側（図の右側）に寄るように回動させれば、出口ポートＣから排気ポートＲへの空気流量が増大し、前記空気ばね２０の空気室２１から空気を排出するようになる。尚、符号３４ｅは、前記入口ポートＰ及び出口ポートＣにそれぞれ配設されたフィルタである。
【００５６】
そのように概ね常時、空気を流通させながらフラッパ３４ｂの回動角度の変更によって空気流量を変更するという構造のため、サーボ弁３４は、非常に応答性が高く、しかも微小な空気流量の制御が可能なものであるが、その反面、前記のような空気の給排を行わないときであっても、空気の一部が排気ポートＲから大気中に排気されることになるので、空気の消費量がかなり多くなってしまい、しかも、その空気消費量がサーボ弁３４の大流量化に伴い増大する、という欠点がある。
【００５７】
図４は、サーボ弁３４への制御入力に対する空気ばね２０の内圧の変化を出力として、その周波数応答を示すボード線図であり、同図によれば、サーボ弁３４の作動特性は一次遅れ系に近似できることが分かる。また、ゲインが小さく、無駄時間も小さいことから、前記したように応答性が高く、微小な空気流量の制御が可能なことが分かる。
【００５８】
これに対し、前記比例弁３５は、図１２に一例を示すように、スプール３５ａを電磁ソレノイド３５ｂによりカートリッジ３５ｃを介して駆動するスプール弁からなる。この比例弁３５は、前記サーボ弁３４と同様に、圧縮空気の供給側に連通する入口ポートＰと、空気ばね２０の空気室２１に連通する出口ポートＡと、大気に開放された排気ポートＲとを備え、それら３つのポートの相互の連通状態を前記スプール３５ａの軸方向の変位によって選択的に切換えるようになっている。
【００５９】
すなわち、例えば図示の如くスプール３５ａが中立位置からやや吸気ポートＰ寄りの軸方向一端側（同図の右側）に位置して、出口ポートＡと排気ポートＲとが連通されるときには、空気ばね２０に接続されている出口ポートＡから排気ポートＲへ空気が流れるようになり、空気ばね２０から空気を排気する排気状態になる。
【００６０】
また、図示はしないが、スプール３５ａを前記と反対の軸方向他端側（同図の左側）に移動させれば、入口ポートＰと出口ポートＡとを連通させて、空気ばね２０に圧縮空気を供給する給気状態になり、さらに、それらの中間で、スプール３５ａの軸方向中央の鍔部により出口ポートＡを閉塞すれば（中立位置）、空気ばね２０の空気圧を一定に維持するとともに、空気消費量を零にする閉止状態になる。
【００６１】
また、前記比例弁３５は、前記の給気状態及び排気状態においてそれぞれスプール３５ａの変位により各ポートの有効断面積を無段階に変化させて、空気の流量を調整可能なものであるが、そのように変位させるスプール３５ａの質量などの影響もあって前記サーボ弁３４に比べると応答性が低く、しかも、スプール位置制御の精度が相対的には低いことから、微小な空気流量の制御には不適な面がある。反面、前記閉止状態では空気消費量が零になるので、ポートなどを大型化して大流量化しても、前記サーボ弁３４のように空気消費量の増大を招くことはない。
【００６２】
尚、図示の符号３５ｄは、ポートＡ，Ｐ，Ｒの形成されたハウジングであり、符号３５ｅは、ハウジング３５ｄ内に嵌入されてスプール３５ａを軸方向に摺動自在に保持するスリーブである。
【００６３】
図５は、比例弁３５への制御入力に対する空気ばね２０の内圧の変化を出力として、その周波数応答を示すボード線図であり、比例弁３５の場合は、前記サーボ弁３４に比べてゲインが大きく、空気圧の調整量が大きい（つまり、相対的に大流量である）ものの、無駄時間も大きいことが分かる。尚、同図は、制御入力である電流の変化に比例して空気圧が変化する圧力型のものの特性を示している。
【００６４】
（空気ばねの内圧の制御）
上述の如きサーボ弁３４及び比例弁３５の特性を考慮して、この実施形態では、本発明の特徴部分として、２つの弁３４，３５による空気圧の調整が相互に補完し合うようにしている。すなわち、空気ばねユニット２毎の空気圧の制御は、概ね図６のブロック図に示すようになり、主に除振対象物の振動を低減するための制御が、図の右側に示す振動制御部３０ａによりサーボ弁３４を用いて行われる一方、主に除振対象物の高さ位置を維持するための制御が、図の左側に示す変位制御部３０ｂにより比例弁３５を用いて行われる。
【００６５】
尚、同図には、上述した空気ばねユニット２の構成の説明と同じく、便宜上、上下方向の空気ばね２０の制御についてのみ示しているが、これと同様の制御は水平方向の空気ばねについても行われる。
【００６６】
まず、前記振動制御部３０ａによるサーボ弁３４の制御について説明すると、これは、加速度センサ３１により検出される除振対象物の振動状態、即ちトッププレート２３の上下方向加速度ｘ″に基づいて、その振動を減殺するような制御力を空気ばね２０により発生させるものである。すなわち、検出された加速度ｘ″に対応するフィードバックゲインをＧcとし、この加速度ｘ″の微分に対応するフィードバックゲインをＧmとし、また、加速度ｘ″の積分に対応するフィードバックゲインをＧkとして、それぞれフィードバック補正値を演算し、これらを加算した後に反転して、サーボ弁３４への制御入力Ｕ１を決定する。
【００６７】
この制御入力Ｕ１に応じてサーボ弁３４のフラッパ３４ｂが回動し、これにより空気圧Ｆ１（圧縮空気）が空気ばね２０に供給されて、その内圧が変化することにより、除振対象物に制御力が付加される。そうして制御力が付加された後の除振対象物の振動状態（加速度ｘ″）は、該除振対象物及び空気ばね２０などよりなる制御対象（Ｐｌａｎｔ）から再びフィードバックされる。
【００６８】
そのように、除振対象物の振動状態をフィードバックしてサーボ弁３４を制御することにより、空気ばね２０の内圧を応答性良く変化させて、除振対象物の実際の振動状態に即した適切な制御力を発生させることができる。すなわち、上述したようにサーボ弁３４の応答性が非常に高く、微小な空気流量の制御ができることから、除振対象物の微小な振動に対し遅れなく、且つ高精度に空気ばね２０の内圧を変更することができるのである。これにより、除振対象物の振動をより高い周波数域まで低減することができ、しかも、収束性の高い安定な振動制御を実現できる。
【００６９】
図７は、前記振動制御部３０ａによるフィードバックループの周波数応答（開ループ伝達関数）を示す。この振動の制御では、位相交点Ｐ（位相がマイナス１８０°になるところ）が比較的高い周波数域に現れており、その周波数域においてゲインも比較的高いため、無駄時間の影響を受けやすい。そのため、仮に応答の遅い弁を使用したとすると、例えば図に仮想線で示すように位相遅れが大きくなり、位相交点Ｐにおけるゲイン余裕がなくなって不安定になると考えられるが、この実施形態では、前記のように高応答のサーボ弁３４を用いているため、十分なゲイン余裕があり、制御が不安定になることはない。
【００７０】
尚、前記のように加速度ｘ″、その微分値及び積分値にそれぞれ制御ゲインＧc、Ｇm、Ｇkを乗じてフィードバックすることで、見かけ上、空気ばね２０の系の減衰係数、質量及びばね定数が増加し、除振性能が向上する。すなわち、この実施形態のようにアクチュエータとして空気ばね２０を利用する場合、制御入力Ｕ１に比例するのはサーボ弁３４の開度であり、空気ばね２０の内圧は制御入力Ｕ１の積分に比例することになるから、前記のように加速度ｘ″に制御ゲインＧcを乗算してフィードバックすれば、この分の制御量が空気系で積分されて、絶対速度に比例する空気圧の変化を生じることになり、いわゆるスカイフックダンパの効果が得られるのである。
【００７１】
次に、前記変位制御部３０ｂによる制御について説明すると、これは、変位センサ３２により検出されるトッププレート２３の基礎に対する相対変位ｘ−ｘ0に基づいて、この相対変位が小さくなるように空気ばね２０の内圧を調整するものである。すなわち、図示の如く、検出した相対変位ｘ−ｘ0を目標値（零）から減算した後に、ＰＩＤ制御則に従って制御入力Ｕ２を求め、これを比例弁３５に入力する。
【００７２】
この制御入力Ｕ２に応じて比例弁３５のスプール３５ａの位置が変更され、これにより制御力としての空気圧Ｆ２（圧縮空気）が空気ばね２０に供給されて、その内圧が変化することで、除振対象物の位置は、基準位置からの変位が小さくなるように、即ち初期の設定高さになるように変更される。そうして変更された除振対象物の高さ位置（基礎に対する相対変位ｘ−ｘ0）が制御対象（Ｐｌａｎｔ）から再びフィードバックされる。
【００７３】
そのような比例弁３５による空気圧の調整は、上述したようにサーボ弁３４に比べればラフで応答性も低いものであるが、従来までのような機械式の圧力制御弁を用いる場合と比較すれば高精度且つ高応答であり、また、比例弁３５はサーボ弁３４と比較して大流量で空気圧の調整量が大きい（ゲインが大きい）ものなので、速やかに除振対象物の高さ位置を基準位置に戻すことができる。
【００７４】
しかも、前記比例弁３５は、その構造上、空気ばね２０の内圧を一定に維持するときには空気を消費しないので、除振対象物の大型化に対応して空気ばね２０の容量を大きくしたときに、これに応じて比例弁３５を大流量化して、変位制御の応答性を高めるようにしても、このことによって空気の消費量が過大になるという問題は生じない。
【００７５】
その上さらに、この実施形態では、上述の如くサーボ弁３４を用いた振動制御と、比例弁３５を用いた変位制御とを組み合わせたことで、たとえ上記のように空気ばね２０の容量が大きくなったとしても、制御の応答性及び安定性を両立することができる。
【００７６】
すなわち、上述の如く空気ばね２０をアクチュエータとして利用する場合に、この空気ばね２０の容量が大きいということは、時定数が大きくて、ゲインが低いということを意味し、制御応答性の低下が懸念される。このことは、定常的な微小振幅の振動の除振に関しては例えばフィードバックゲイン（制御ゲイン）の増大などで対応可能であり、実質的に問題にならないが、大振幅の振動が入力して変位を生じる場合には、サーボ弁３４だけでは流量が不足して、制御に著しい遅れを生じる虞れがある。
【００７７】
これに対し、前記の如くサーボ弁３４を用いた振動制御と比例弁３５を用いた変位制御とを組み合わせれば、例えば定盤３上に搭載された装置内のステージの移動などによって大振幅の振動が入力したとき、まず、加速度センサ３１の検出値に基づいてサーボ弁３４の制御が行われ、これにより空気ばね２０の内圧が遅れなく変更されるとともに、その振動入力に伴う除振対象物（定盤３など）の変位に応じて比例弁３５の制御が行われて、空気ばね２０への空気の給排が大流量で行われることにより、その内圧が速やかに変更される。
【００７８】
つまり、比較的容量の大きな空気ばね２０に対して大振幅の振動が入力したときでも、その空気圧を遅れなく、適切に且つ速やかに調整して、除振対象物の振動を応答性良く低減することができる。
【００７９】
その一方で、前記のように大きな変位（外乱）に対応する比例弁３５の制御によって、空気が大流量で給排されると、この結果として空気ばね２０の内圧に振動的な変化が生じることがあり、これにより除振対象物に余計な振動が付加される虞れがある。しかし、この振動は加速度センサ３１によって検出され、これに応じて、前記の如くサーボ弁３４による高応答且つ高精度の空気圧の調整（振動制御）が行われることによって、吸収される。つまり、除振対象物の位置は速やかに且つ安定的に基準位置に収束するようになる。
【００８０】
図８は、前記変位制御部３０ｂによるフィードバックループの周波数応答を示す。図示の位相曲線において位相交点Ｐが比較的低い周波数域に現れているが、これを含む高周波側の領域でゲインが低下しているため、無駄時間の影響は少なく、制御が安定なものとなることが分かる。一方、図に仮想線で示すのは、仮に前記振動制御部３０ａによるサーボ弁３４の制御を行わないようにした場合のものであり、このときには位相交点Ｐにおけるゲインが高くなっており、制御が不安定になることが分かる。
【００８１】
換言すれば、図８に実線で示すゲイン及び位相曲線は、上述の如く振動制御部３０ａによるサーボ弁３４の制御が行われることによって減衰が付加されて、変位制御部３０ｂによるフィードバック制御が安定化することを示している。
【００８２】
したがって、上述した実施形態１の精密除振台Ａによると、除振対象物を支持する複数の空気ばねユニット２，２，…において、それぞれ、空気ばね２０への空気の給排系に、比較的小流量だが高応答且つ高精度のサーボ弁３４と、比較的大流量の比例弁３５とを配設して、この両者による空気圧の調整が相互に補完し合うようにしたことで、除振対象物が大型化したときでも、空気の消費量が著しく増大することはなく、従来同様の高応答、高精度の振動制御を行えるとともに、従来以上に高速でしかも安定性の高い位置制御を実現できる。
【００８３】
（変形例）
上述の実施形態１では、図６に示すように、コントローラ３０の振動制御部３０ａ及び変位制御部３０ｂにおいてＰＩＤ制御則に従い制御入力Ｕ２を決定するようにしているが、これに限らず、現代制御理論の手法を適用することもできる。
【００８４】
例えば変位制御部３０ｂを変更した変形例を図９に示すと、まず、振動制御部３０ａを含めた制御対象（Ｐｌａｎｔ）のノミナルモデルＰｎを設定し、このノミナルモデルの逆関数Ｐｎ-1に変位センサ３２からの信号を入力して、制御量Ｕ２の位置での外乱を推定する。そして、この推定入力値から元々の制御入力の分を減算して外乱のみを抽出し、さらに相補感度関数Ｔを通過させて安定化した上で、フィードバックする。
【００８５】
こうすれば、前記変位制御部３０ｂは、前記制御対象からの出力（変位ｘ−ｘ0）に基づいて当該制御対象への外乱入力を推定する外乱オブザーバとしての機能を有し、この変位制御部３０ｂにより演算される制御入力Ｕ２は、外乱をちょうど打ち消すようなものとなるから、このようなフィードバック制御を行うことによって、前記実施形態のものと同等、或いはそれ以上に適切な制御力を発生させることができる。
【００８６】
尚、上述した実施形態１、及びその変形例の空気ばねユニット２において、変位制御部３０ｂは、除振対象物の基準位置からの変位が所定値以下のときには比例弁３５の制御を行わず、変位センサ３２からの信号に基づいてサーボ弁３４を制御するように構成してもよい。こうして、サーボ弁３４の制御により空気ばね２０の内圧を調整して、除振対象物の高さ位置を変更するようにすれば、その高さ位置の変位が例えば数ミクロン程度と非常に小さくて、前記した比例弁３５による空気圧の調整によっては制御不能な場合にも対応可能になり、これにより除振対象物の高さ位置を極めて正確に基準位置に維持することができる。
【００８７】
（実施形態２）
図１０は、本発明の実施形態２に係る除振装置Ａの空気ばねユニット２の構成を示す。この実施形態２のものは、比例弁３５のみによって空気ばね２０の圧力を調整し、これにより除振対象物の振動及び位置制御を行うようにしたものであり、その点を除いては前記実施形態１のものと同じ構成なので、同じ部材には同じ符号を付して、その説明は省略する。
【００８８】
また、図１１は、前記比例弁３５のみによる空気圧制御のブロック図であり、振動制御部３０ａにおける加速度ｘ″のフィードバックループにおいて主に除振対象物の振動を低減するための制御入力が決定される一方、変位制御部３０ｂにおける変位ｘのフィードバックループにおいて主に除振対象物の高さ位置を維持するための制御入力が決定され、この両者を合わせた制御入力Ｕが比例弁３５に与えられるようになっている。
【００８９】
尚、前記両図に示すのは上下方向の振動及び位置制御のための構成のみであり、これと同様の構成が水平方向の振動及び位置制御のためにも設けられているが、以下、便宜上、上下方向の構成のみについて説明する。
【００９０】
そして、この第２実施形態では、実施形態１のようにサーボ弁３４を用いることなく、比例弁３５のみによって振動制御も行うことから、この比例弁３５としては、構造自体は実施形態１のものと同様であるが、制御入力Ｕの変化に比例して空気の流量が変化する流量型のものを用い、スプール３５ａの軽量化や摩擦抵抗の低減、電磁ソレノイド３５ｂの大型化などによって、できるだけ動作を高速化するのが好ましい。
【００９１】
そうして動作を高速化したとしても、比例弁３５による空気圧制御の応答速度はサーボ弁３４に比べて低いので、振動制御のフィードバックゲインＧc、Ｇm、Ｇkはできるだけ大きく設定したいところであるが、前記図７を参照して既説したように、振動制御のフィードバックループは無駄時間の影響を受けやすく、応答の遅い比例弁３５を使用すると、制御ゲインを大きくした場合に不安定になり易い。
【００９２】
さらに、比例弁３５はスプール弁であり、上述したように、スプール３５ａの軸方向の変位によって３つのポートＡ，Ｐ，Ｒの連通状態を切換えるとともに、その各ポートＡ，Ｐ，Ｒの有効断面積を無段階に変化させて、空気の流量を調整するものであるから、この比例弁３５への制御入力Ｕと空気の流量との間には複雑な非線形関係があり、このことも前記した振動制御の不安定化を助長する虞れがある。
【００９３】
すなわち、比例弁３５への制御入力Ｕと空気流量との間の関係は、例えば図１３に実線で示すグラフのようになっていて、空気流量０の閉止状態を基準として制御入力Ｕが基準値Ｕ0とあまり変わらないときにはゲイン（グラフの傾き）が小さく、それよりも制御入力Ｕが大きくなるか或いは小さくなると、ゲインが大きくなり、さらに制御入力が大きくなるか或いは小さくなると、再びゲインは小さくなっている。
【００９４】
そのため、仮に振動制御のフィードバックゲインＧc、Ｇm、Ｇkを、前記比例弁３５のゲインが比較的小さな状態（制御量Ｕが基準値Ｕ0とあまり変わらないとき）でも、高い応答性が得られるように大きく設定すると、例えば装置内のステージの移動などによって大振幅の振動が入力したとき（大きな外乱）、これに対応して大きな制御入力Ｕが比例弁３５に与えられ、このときには比例弁３５のゲインも大きいことから、空気ばね２０に給排する空気流量の変化が過度に大きくなってしまい、不安定化を招くのである。
【００９５】
そのように振動制御を行う場合に特に問題になる比例弁３５の非線形性に着目して、この実施形態では、前記図１１のようなフィードバックループにおいて除振対象物の加速度ｘ″や変位ｘに基づいて決定した制御入力Ｕを補正して、この制御入力Ｕと比例弁３５の空気流量との間の関係が線形となるようにしている。より具体的には、そのように補正する前後の制御入力Ｕ，Ｕ′の値を互いに対応付けて予め設定した補正テーブルを準備し、前記の如く除振対象物の加速度ｘ″等に基づいて決定（仮決定）した制御入力Ｕに対応する補正後の制御入力Ｕ′を読み取って、これを比例弁３５に入力するようにする。
【００９６】
そのような補正のイメージは、図１３に示すように、比例弁３５への制御入力Ｕと空気流量との間の非線形関係を表す実特性（実線のグラフ）と、比例弁３５への制御入力Ｕと空気流量との間の関係が線形となるように予め設定した理想特性（破線のグラフ）とを対比し、図１１のようにフィードバックループによって求められた制御入力Ｕから、前記理想特性に基づいて目標とする空気流量を求め、この目標空気流量を得るために必要な実際の制御入力Ｕ′を前記実特性から求めるというものである。
【００９７】
こうして補正した制御入力Ｕ′を比例弁３５に与えるようにすれば、この比例弁３５から空気ばね２０へ供給される空気の流量と、補正前の制御入力Ｕとの間には線形関係が成立するので、振動制御のフィードバックループにおける制御ゲインＧc、Ｇm、Ｇkの値を、比例弁３５のゲインが比較的小さな状態でも所要の応答性が得られるよう大きめに設定しても、制御量に依らず制御特性が一定であるため、不安定化の問題を招くことはない。
【００９８】
したがって、この実施形態２の精密除振台Ａでは、空気量の消費が多いサーボ弁３４を用いず、電磁比例弁３５のみによって空気ばね２０の圧力を調整し、これにより除振対象物の振動及び位置制御を行うようにしたから、振動制御の応答性自体は実施形態１に比べて低くなるとしても、比較的要求の緩い除振対象物に対しては十分な実用性が得られる。
【００９９】
また、そうして応答性を高める際に特に問題になる比例弁３５の非線形性を補正して、制御入力Ｕと空気流量との間に線形関係が成り立つようにしたから、比例弁３５の制御ゲインを或る程度、大きくしても、不安定にはなり難い。しかも、制御入力Ｕの補正は補正テーブルを用いて行うようにしたから、補正に要する時間が短くなり、この点でも制御応答性の向上に有利になる。
【０１００】
さらに、この実施形態２の場合も、上述した実施形態１のものと同じく、比例弁３５による空気圧の調整は機械式の圧力制御弁と比較すれば高精度且つ高応答であり、サーボ弁３４と比較しても空気圧の調整量は大きい（ゲインが大きい）から、高速で安定性の高い位置制御が行える。しかも、前記の如く比例弁３５の非線形性を補正して、制御入力Ｕと空気流量との間に線形関係が成り立つようにしたから、位置制御においても制御の不安定化を防止しつつ、制御ゲインを大きくして応答性を高めることができる。そして、勿論、除振対象物の大型化に対応して空気ばね２０の容量を大きくし、これに応じて比例弁３５を大流量化しても、サーボ弁３４のような空気の消費量増大の問題は生じない。
【０１０１】
尚、前記図１３に示す比例弁３５の実特性には個体ばらつきがあり、経年変化も考えられるが、スプール弁の場合は特性そのもの、即ち図示のグラフの形状自体が大きく異なることは少なく、グラフが全体として制御入力Ｕの軸（横軸）方向にずれるようなばらつきを生じると考えられる。
【０１０２】
そこで、例えば空気ばね２０の内圧を計測する圧力センサ（検出手段）を備え、これによる検出値（比例弁３５から空気ばね２０への空気の供給流量に関連する値）に基づいて、その検出値と目標空気流量との偏差が小さくなるように補正テーブルのデータを変更する、所謂学習制御を行うことが考えられる。この際、前記のようなスプール弁の特性を考慮して、例えば図示のグラフを横軸の方向にずらすように、すなわち、補正後の制御入力Ｕ′の値が補正前の制御入力Ｕの値に対して一律に変化するように、前記検出値と目標空気流量との偏差に応じて補正テーブルのデータを一括して変更することが好ましい。
【０１０３】
すなわち、例えば、空気ばね２０の内圧の変化から推定した空気流量が目標空気流量よりも小さければ、図１３において実線のグラフが右側にシフトするように、即ち、補正後の制御入力Ｕ′の値が予め設定した所定値だけ一律に増大するように、補正テーブルのデータを変更すればよい。一方、推定した空気流量が目標空気流量よりも大きければ、グラフが左側にシフトするように、即ち、補正後の制御入力Ｕ′の値が一律に減少するように補正テーブルのデータを変更すればよい。
【０１０４】
このような学習制御によれば、比例弁３５の個体ばらつきや経年変化を吸収して、より精度の高い振動制御を行うことができる。しかも、スプール弁である比例弁３５の特性を考慮して、補正テーブルのデータを一括して変更することで、学習結果を振動制御に早期に反映することができ、結果として、より高精度の制御をより早く実行することができる。この場合には、そのような学習制御のプログラムを実行するコントローラ３０が、学習手段を構成する。
【０１０５】
また、前記のように比例弁３５の空気流量を推定するためには例えば加速度センサ３１の出力を利用することもでき、或いは、比例弁３５と空気ばね２０との配管２６に空気流量センサを設けてもよい。また、比例弁３５のスプール３５ａの位置を検出するセンサの信号を併用することもできる。
【０１０６】
（変形例）
上述の実施形態２では、比例弁３５への制御入力Ｕを補正するための補正特性として、予め準備した補正テーブルを用いているが、これに限らず補正計算式を用いることも可能である。例えば、図１３に実線のグラフで示す比例弁３５の実特性は、制御入力Ｕが基準値Ｕ0以上の場合について、空気流量をｆ（Ｕ）として、次のような４次式で近似することができる。 ｆ（Ｕ） ＝ ａ×Ｕ4＋ｂ×Ｕ3＋ｃ×Ｕ2＋ｄ×Ｕ＋ｅ 尚、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは所定の係数である。
【０１０７】
そして、同図に破線のグラフで示す理想特性が１次式ｇ（Ｕ）と表せるので、補正前の制御入力Ｕを補正後の制御入力Ｕ′に変換する補正計算式は、一般的に次のように表すことができる。 Ｕ′ ＝ ｆ-1（ｇ（Ｕ）） 同様に制御入力Ｕが基準値Ｕ0未満の場合についても補正計算式を定義することができる。但し、一般には逆関数を求めることは難しいので、前記実施形態２のように補正テーブルを用いる方が好ましい。
【０１０８】
（他の実施形態）
本発明の構成は、前記実施形態１、２のものに限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。すなわち、例えば前記各実施形態の空気ばねユニット２においては除振対象物の振動状態を検出するために、加速度センサ３１を空気ばね２０のトッププレート２３に配設しているが、これは速度センサであってもよいし、それらのセンサは前記トッププレート２３に限らず、定盤３或いはその上に搭載される装置に取り付けることもできる。また、空気ばね２０に代えて、空気以外の気体を封入した気体ばねを用いることもできる。
【０１０９】
また、前記各実施形態の空気ばねユニット２において、上述したフィードバックによる振動制御に加えて、フィードフォワード制御も行うようにしてもよい。すなわち、図示はしないが、加速度センサ３３からの信号に基づいてベースプレート２４の振動状態を検出し、ここから空気ばね２０を通して除振対象物に伝達される微小な振動を推定して、この伝達振動を減殺する逆位相の制御力を空気ばね２０が発生するように、その内圧をサーボ弁３４、比例弁３５により制御すればよい。こうすることで、除振対象物の振動をより一層、低減することができる。
【０１１０】
さらに、前記実施形態１及びその変形例のようにサーボ弁３４により振動制御を、比例弁３５により位置制御を行う場合にも、前記実施形態２の如く比例弁３５への制御入力Ｕ２を補正するようにすることが好ましい。こうすれば、前記比例弁３５による位置制御の不安定化を防止しつつ、制御ゲインを大きくして応答性を高めることができるからである。また、この場合には、補正テーブルの学習制御も併せて行うことが好ましいことは言うまでもない。
【０１１１】
さらにまた、前記各実施形態では、定盤３を４つの空気ばねユニット２，２，…により支持する例について説明したが、空気ばねユニット２の個数が４つに限られないことは言うまでもなく、それは例えば３つであってもよいし、５つ以上であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
以上、説明したように、本発明に係る除振装置（空気ばねユニット２）は、除振対象物の大型化に対応して、例えば空気ばねの容量を大きくしても、空気消費量の著しい増大を招くことなく、所要の応答性及び精度の振動制御を可能としながら、高速の位置制御も実現できるものなので、例えば半導体や液晶関連の製造装置のように、大型であるにも拘わらず、高度の除振・制振が求められる装置を設置するために好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】精密除振台の概略構成を示す図である。
【図２】実施形態１の空気ばねユニットの空気圧制御系の構成図である。
【図３】サーボ弁の概略構成を示す図である。
【図４】サーボ弁の作動特性を示すボード線図
【図５】比例弁についての図４相当図である。
【図６】空気圧制御の構成を示すブロック図である。
【図７】振動制御部の周波数応答を示すボード線図である。
【図８】変位制御についての図７相当図である。
【図９】現代制御理論を適用した変形例に係る図６相当図である。
【図１０】実施形態２に係る図２相当図である。
【図１１】同図６相当図である。
【図１２】比例弁の概略構成を示す図である。
【図１３】制御入力の補正の説明図である。
【符号の説明】
【０１１４】
Ａ 精密除振台
１ 基礎構造部（基礎）
２ 空気ばねユニット
３ 定盤（除振対象物）
２０ 空気ばね
２３ トッププレート（除振対象物）
２４ ベースプレート（基礎）
３０ コントローラ（制御手段、学習手段）
３０ａ 振動制御部（振動制御手段）
３０ｂ 変位制御部（変位制御手段）
３１ 加速度センサ（振動センサ、センサ）
３２ 変位センサ（位置センサ、センサ）
３３ 加速度センサ（別の振動センサ、センサ）
３４ サーボ弁
３５ 電磁比例弁
３５ａ スプール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
除振対象物を基礎に対し気体ばねで支持するとともに、該除振対象物の振動状態を検出するための振動センサと、前記気体ばねの圧力を調整するためのサーボ弁とを備え、このサーボ弁を前記振動センサからの信号に基づいて制御することにより、前記気体ばねの内圧を変更して、前記除振対象物にその振動を減殺する制御力を付加するようにしたアクティブ除振装置であって、
前記除振対象物の基礎に対する高さ位置を検出するための位置センサと、
前記気体ばねにその内圧を調整可能に接続された電磁比例弁と、
前記電磁比例弁を前記位置センサからの信号に基づいて制御することにより、前記除振対象物の基準位置からの変位が小さくなるように前記気体ばねの内圧を調整する変位制御手段と、を備えることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項２】
請求項１のアクティブ除振装置において、
振動センサは、除振対象物の加速度を検出する加速度センサ、又は該除振対象物の速度を検出する速度センサの少なくとも一方であり、
前記加速度センサ乃至速度センサからの信号に基づいてサーボ弁を制御することにより、前記除振対象物に制御力が付加されるように気体ばねの内圧を変更する振動制御手段を備えている
ことを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項３】
請求項２のアクティブ除振装置において、
基礎の加速度乃至速度を検出する少なくとも１つの別の振動センサを備え、
振動制御手段は、前記別の振動センサからの信号に基づいてサーボ弁を制御することにより、除振対象物に前記基礎からの伝達振動を減殺する制御力が付加されるように、気体ばねの内圧を変更するものである
ことを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つのアクティブ除振装置において、
変位制御手段は、除振対象物の基準位置からの変位が所定値以下のときには電磁比例弁の制御を行わず、位置センサからの信号に基づいてサーボ弁を制御することにより、前記除振対象物の変位が小さくなるように気体ばねの内圧を調整するものであることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つのアクティブ除振装置において、
変位制御手段は、電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を線形に補正するための補正特性を記憶していて、この補正特性に基づいて前記電磁比例弁への制御入力を補正するように構成されていることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項６】
除振対象物を基礎に対し気体ばねで支持してなる除振装置であって、
前記除振対象物の振動状態及び基礎に対する高さ位置の少なくとも一方を検出するためのセンサと、
前記気体ばねにその内圧を調整可能に接続された電磁比例弁と、
前記電磁比例弁を前記センサからの信号に基づいて制御することにより、前記除振対象物の基準位置からの変位が小さくなるか、或いは該除振対象物にその振動を減殺する制御力が付加されるか、の少なくとも一方となるように前記気体ばねの内圧を調整する制御手段と、を備えており、
前記制御手段は、前記電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を線形に補正するための補正特性を記憶していて、この補正特性に基づいて前記電磁比例弁への制御入力を補正するように構成されていることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項７】
請求項６のアクティブ除振装置において、
補正特性は、補正前後の制御入力値を互いに対応付けて設定した補正テーブルであり、
前記補正テーブルは、電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を表す実特性と、該電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の関係が線形となるように予め設定した理想特性と、を対比し、この理想特性に基づいて補正前の制御入力値に対応する目標気体流量を求め、この目標気体流量に対応する補正後の制御入力値を前記実特性から求めたものであり、
制御手段は、センサからの信号に基づいて仮決定した制御入力値に対応する補正後の制御入力値を前記補正テーブルから読み取り、これにより前記電磁比例弁を制御するものであることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項８】
請求項７のアクティブ除振装置において、
電磁比例弁から気体ばねへの気体の供給流量に関連する値を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出値と目標気体流量との偏差が小さくなるように、補正テーブルのデータを変更する学習手段と、をさらに備えることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項９】
請求項８のアクティブ除振装置において、
電磁比例弁はスプール弁により構成され、
学習手段は、検出手段による検出値と目標気体流量との偏差に基づいて、補正テーブルに設定されている補正後の制御入力値が補正前の制御入力値に対して一律に変化するように、該補正テーブルのデータを一括して変更するものであることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項１】
除振対象物を基礎に対し気体ばねで支持するとともに、該除振対象物の振動状態を検出するための振動センサと、前記気体ばねの圧力を調整するためのサーボ弁とを備え、このサーボ弁を前記振動センサからの信号に基づいて制御することにより、前記気体ばねの内圧を変更して、前記除振対象物にその振動を減殺する制御力を付加するようにしたアクティブ除振装置であって、
前記除振対象物の基礎に対する高さ位置を検出するための位置センサと、
前記気体ばねにその内圧を調整可能に接続された電磁比例弁と、
前記電磁比例弁を前記位置センサからの信号に基づいて制御することにより、前記除振対象物の基準位置からの変位が小さくなるように前記気体ばねの内圧を調整する変位制御手段と、を備えることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項２】
請求項１のアクティブ除振装置において、
振動センサは、除振対象物の加速度を検出する加速度センサ、又は該除振対象物の速度を検出する速度センサの少なくとも一方であり、
前記加速度センサ乃至速度センサからの信号に基づいてサーボ弁を制御することにより、前記除振対象物に制御力が付加されるように気体ばねの内圧を変更する振動制御手段を備えている
ことを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項３】
請求項２のアクティブ除振装置において、
基礎の加速度乃至速度を検出する少なくとも１つの別の振動センサを備え、
振動制御手段は、前記別の振動センサからの信号に基づいてサーボ弁を制御することにより、除振対象物に前記基礎からの伝達振動を減殺する制御力が付加されるように、気体ばねの内圧を変更するものである
ことを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つのアクティブ除振装置において、
変位制御手段は、除振対象物の基準位置からの変位が所定値以下のときには電磁比例弁の制御を行わず、位置センサからの信号に基づいてサーボ弁を制御することにより、前記除振対象物の変位が小さくなるように気体ばねの内圧を調整するものであることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つのアクティブ除振装置において、
変位制御手段は、電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を線形に補正するための補正特性を記憶していて、この補正特性に基づいて前記電磁比例弁への制御入力を補正するように構成されていることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項６】
除振対象物を基礎に対し気体ばねで支持してなる除振装置であって、
前記除振対象物の振動状態及び基礎に対する高さ位置の少なくとも一方を検出するためのセンサと、
前記気体ばねにその内圧を調整可能に接続された電磁比例弁と、
前記電磁比例弁を前記センサからの信号に基づいて制御することにより、前記除振対象物の基準位置からの変位が小さくなるか、或いは該除振対象物にその振動を減殺する制御力が付加されるか、の少なくとも一方となるように前記気体ばねの内圧を調整する制御手段と、を備えており、
前記制御手段は、前記電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を線形に補正するための補正特性を記憶していて、この補正特性に基づいて前記電磁比例弁への制御入力を補正するように構成されていることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項７】
請求項６のアクティブ除振装置において、
補正特性は、補正前後の制御入力値を互いに対応付けて設定した補正テーブルであり、
前記補正テーブルは、電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の非線形関係を表す実特性と、該電磁比例弁への制御入力と気体の流量との間の関係が線形となるように予め設定した理想特性と、を対比し、この理想特性に基づいて補正前の制御入力値に対応する目標気体流量を求め、この目標気体流量に対応する補正後の制御入力値を前記実特性から求めたものであり、
制御手段は、センサからの信号に基づいて仮決定した制御入力値に対応する補正後の制御入力値を前記補正テーブルから読み取り、これにより前記電磁比例弁を制御するものであることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項８】
請求項７のアクティブ除振装置において、
電磁比例弁から気体ばねへの気体の供給流量に関連する値を検出する検出手段と、
前記検出手段による検出値と目標気体流量との偏差が小さくなるように、補正テーブルのデータを変更する学習手段と、をさらに備えることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項９】
請求項８のアクティブ除振装置において、
電磁比例弁はスプール弁により構成され、
学習手段は、検出手段による検出値と目標気体流量との偏差に基づいて、補正テーブルに設定されている補正後の制御入力値が補正前の制御入力値に対して一律に変化するように、該補正テーブルのデータを一括して変更するものであることを特徴とするアクティブ除振装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
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【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−２８３９６６（Ｐ２００６−２８３９６６Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８２１３９（Ｐ２００５−２８２１３９）
【出願日】平成１７年９月２８日（２００５．９．２８）
【出願人】（０００２０１８６９）倉敷化工株式会社 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２８日（２００５．９．２８）
【出願人】（０００２０１８６９）倉敷化工株式会社 (282)
【Ｆターム（参考）】
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