CN1914436A - 使用有效载荷作为惯性参考质量的有源隔振的致动器装置 - Google Patents

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Abstract

将有效载荷(57)与地运动相隔离的有源隔振的方法和系统。该系统具有主体(16；51)、通过至少一根弹簧(45)由主体(51)支撑的质量(41)、通过至少另一根弹簧(43)由质量(41)支撑的另一质量(39)。传感器检测在质量(41)和另一质量(39)之间的距离，并且产生距离信号。控制器(49)接收距离信号，并基于距离信号而产生控制信号。致动器(47)基于控制信号而致动所述质量(41)的位置，而另一质量支撑将与地(16)隔离的有效载荷。

Description

使用有效载荷作为惯性参考质量的有源隔振的致动器装置
本发明涉及一种用于有源隔振的致动器装置，该装置包括惯性参考质量。
图1示出根据现有技术的有源隔振系统。该系统包括有效载荷2，该有效载荷例如可以是光刻(lithography)机中的度量架(metroframe)。速度传感器4被附于有效载荷2。代替速度传感器，可以使用加速度传感器。传感器4可以是地震检波器。
传感器4被连接至控制器6，该控制器6有时被称为“天钩(skyhook)”控制器。控制器6可以是任何适当编程的(微)计算机。
然而，模拟和数字电路可以在合适的地方被使用。
将致动器8设置在有效载荷2和“地”16之间。控制器6被连接至致动器8，以将适当的输入信号提供给致动器8。实际上，放大器(未示出)位于控制器6和致动器8之间，以基于控制器输出信号而产生将被发送给致动器8的功率信号。可以观察到，传感器4、控制器6和致动器8之间的连接被示出为实际线路。然而，正如本领域技术人员公知的，这些连接可以是无线连接。该观察还适用于本发明的实施例中所示的其它连接。
以示意性的方式示出致动器8。致动器8可以是洛伦兹电动机或者任何其他被布置成产生如由控制器6控制的力的合适致动器。
图1还示出包括活塞12和壳体14的空气支架(airmount)10，其中活塞12可向上和向下移动。在使用中，壳体14充满空气(或任何其它适当气体)。提供了通过沟道21连接至壳体14的阀20。控制器被连接至阀20以控制其工作。传感器18被提供以测量空气支架10的壳体14与有效载荷2之间的距离z1。传感器18被连接至比较器17，该比较器还接收参考信号z1ref。传感器18产生表示距离z1的输出信号。该比较器17产生与z1ref和传感器18的输出之间的差成比例的输出信号，并且将该输出信号施加至控制器19。控制器19以这种方式致动阀20，即以期望电平z1ref来控制距离z1。
控制器6和19不必是单独的物理单元。它们可以被实施为运行在同一计算机上的单独程序。
实际上，有效载荷2可以非常重，例如3000千克或更多。空气支架10被提供作为有源控制装置不是严格必需的。可选择地，它可以是无源隔振装置。代替空气支架10，可以使用诸如弹簧之类的其它隔振装置。
在实际情形中，正如对本领域技术人员而言将是显而易见的，将主要有三个或四个空气支架10来支撑有效载荷2。此外，图1示出一个致动器装置，它包括传感器4、控制器6和致动器8；然而，实际中可以有多个致动器装置。该致动器装置然后被布置成在六个自由度(x、y、z和围绕x、y及z的转动)中任何一个或不同自由度的组合中提供隔振。
传感器4可以是地震检波器，正如本领域技术人员公知的，该地震检波器包括参考质量或惯性质量，相对于该参考质量来测量质量2的位移。
图2示出现有技术有源隔振系统的另一例子，正如由P.G.Nelson的An active vibration isolation system for inertial reference andprecision measurement，Rev.Sci.Instr.62(9)，September 1991，pp.2069-2075所公开的。图2示出天花板23，该天花板可被设想为“地”。该天花板23处于高度zc。用弹簧35将质量27挂在天花板23下面。致动器25位于天花板23和质量27之间，以控制质量27位于的高度z2。
用弹簧37将质量29挂在质量27下面。该质量29处于高度z3。传感器33检测质量27和29之间的距离d。传感器可是电容传感器。距离d是高度z2和z3之间差的量度：z2-z3。传感器33对控制器31产生反馈信号，该控制器31基于该反馈信号来产生用于致动器25的控制信号。
在现有技术中，如图2中所示的系统被如下使用：传感器33、弹簧37和质量29一起形成地震检波器，其中质量29是地震检波器的参考质量或惯性质量。示出了通过将距离信号d反馈到控制器31来改善z2/zc的可传递性。因此，该文献公开了：通过反馈与该质量和另一惯性参考质量之间的距离相关的距离信号，可以降低自“地”悬挂的质量的运动与地的运动的相关性。
在任何现有技术文献中，惯性质量都不具有不同于作为参考质量的另一目的，相对于该参考质量来测量将被控制的质量的位移。本发明的目的是提供一种有源隔振系统，考虑到这两个现有技术文献，该系统改善了有效载荷的隔振。
为了实现这个目的，本发明提供一种有源隔振系统，该有源隔振系统被布置成将有效载荷与地运动隔离，该有效载荷通过至少一根弹簧来支撑，该系统包括用于检测该有效载荷的位移并产生位移信号的传感器、用于接收该位移信号并基于该位移信号产生控制信号的控制器、以及被布置成基于该控制信号产生致动力的致动器，其特征在于，该系统包括支撑该有效载荷的质量，该传感器被布置成检测该有效载荷相对于该质量的位移，以及该致动器被布置成将该致动力施加于该质量，以使该有效载荷用作惯性参考质量。
因此，本发明基于下述认识，即其振动需要被控制的有效载荷可以被用作参考质量或惯性质量，基于该认识各种不同工业过程可被执行。可以示出的是，通过根据本发明的装置，与如图1和2中所示的现有技术装置相比，有效载荷被更好地与地运动相隔离。尤其在较低频率处，位移测量胜过了速度测量，并且提供了更好的有源隔离。此外，不需要致动器来直接控制有效载荷的运动。
本发明还涉及一种被配备具有如上所定义的有源隔振系统的光刻设备。然而，本发明可同样很好地应用于任何其它高精度的机器。
本发明还涉及一种将有效载荷与地运动相隔离的有源隔振的方法，包括：
-通过至少一根弹簧支撑有效载荷，
-提供用于检测有效载荷的位移并产生位移信号的传感器，
-基于该位移信号产生控制信号，
-基于该控制信号产生致动力，
其特征在于，
-通过质量支撑有效载荷，
-检测有效载荷相对于该质量的位移，
-将该致动力施加于该质量，以使该有效载荷被用作惯性参考质量。
下面将参考一些图来详细说明本发明。这些附图仅仅打算来阐明本发明并仅仅示出一些实施例。它们不打算以任何方式来限制本发明。本发明仅仅由所附的权利要求书及其技术等效物来限定。
图1示出根据现有技术的一个有源隔振系统；
图2示出根据现有技术的另一有源隔振系统；
图3示出根据本发明的有源隔振系统；
图4示出根据图3的系统的可传递性的例子；
图5示出本发明的可选实施例。
图1和2已经在上面被解释。
图3示出通过例如腿的支撑设备由地16支撑的第一质量51。由于这些支撑设备将具有有限的硬度，所以它们被示出为弹簧53、55。尽管两个支撑设备53、55被示出，但是实际上可以有三个或可能更多个支撑设备。第二质量41通过弹簧45由第一质量来支撑。此外，实际上，在第一和第二质量之间可能有或将有更多根弹簧。第三质量39通过弹簧43由第二质量41来支撑。此外，在第三质量39和第二质量41之间可以有多于一根的弹簧。第三质量39是有效载荷。在使用中，有效载荷39支撑在一个或多个工业过程中使用的一个或多个设备57。第一质量51不必存在。于是第二质量41直接由地16支撑。
这三个不同质量39、41、51的设置例如可用在光刻设备中。在光刻设备中，第一质量51可以是具有2000kg的质量的基架(baseframe)，第二质量41可以是具有4000kg的质量的副架(sub-frame)，而第三质量39可以是具有3200kg的质量的度量架。在这种光刻设备中，弹簧43、45将具有不同的弹簧常数。例如，可以选择弹簧43，以使它向第三质量39提供在0.1-10Hz范围内的本征频率，例如0.3Hz。可以布置弹簧45，以使它向第二质量41提供在1-10Hz范围内的本征频率，例如3Hz。支撑设备53、55可以是这样的，即使得它们向第一质量51提供在30-40Hz范围内的本征频率，例如35Hz或更高。
在光刻设备中，度量架39支撑可包括加速度计、投影透镜和一或多个传感器的设备57。
第一质量51被示出具有位移z7，第二质量41被示出具有位移z6，而第三质量39被示出具有位移z5。地16被示出具有位移h。传感器59被提供以测量距离d2的变化，即第二质量41和第三质量39之间的位移。距离d2的该变化是z5和z6之间的差的量度：也就是z5-z6。传感器59产生输出信号，该输出信号是距离d2变化的指示。该输出信号被传送给控制器49。该控制器49基于传感器59的该输出信号产生控制信号。该控制信号被传送给致动器47。该致动器47致动第二质量41。该致动器47可以是洛伦兹电动机或任何其他被布置成产生如由控制器49所致动的力F的合适致动器。在如图3中所示的装置中，有效载荷39自身起到惯性参考质量的作用。
使用距离d2的变化作为控制器49的输入，证明提供了对支撑设备57的有效载荷39的非常好的有源隔离。这在图4中被示出。图4示出在无源模式和有源模式中z5/h的可传递性。在无源模式中控制器49被关闭，而在有源模式中控制器49被打开。图4示出在有源模式中可传递性z5/h好得多。也就是，降低了有效载荷39的运动与地16的相关性。当弹簧43、45具有如上所示的本征频率时，这种降低在图3的设计中已经以非常低的频率开始。在图4的无源模式可传递性z5/h中，可以认识到用于弹簧43的0.3Hz、用于弹簧45的3Hz和用于支撑设备53、55的35Hz的这些本征频率。
如上所示，对于本发明的应用，第一质量51不是严格必需的，该第一质量51通过支撑设备53、55由地16支撑。代之以，第二质量41可通过弹簧45直接由地16支撑，并且由致动器47所控制。
弹簧43、45可以是期望的任何合适的弹簧。它们可以是无源弹簧。它们还可以是如根据图1的现有技术所示的空气支架。
图5示出本发明的可选实施例。相同的参考符号指的是前面附图中的相同部件。与根据图3的实施例的差别如下。该装置包括在传感器59和控制器49之间的第一滤波器61。此外，另一传感器58被提供以检测有效载荷39和第一质量51或地16之间的距离d3。传感器58经由第二滤波器60被连接至控制器49。
因此，在根据图5的装置中，传感器58、59的输出信号被以各自滤波器60、61的滤波系数来加权，以及控制器49接收与d2和d3相关的信号的加权和。在实施例中，滤波器60、61被设计成给d2的反馈影响提供更高加权以用于更高频率，以及给d3的反馈影响提供更高加权以用于更低频率。
正如将对本领域技术人员而言显而易见的，滤波器60、61可以与控制器49被组合成一个单元。

Claims (10)

1.有源隔振系统，其被布置成将有效载荷(39)与地运动隔离，所述有效载荷(39)通过至少一根弹簧(43)来支撑，所述系统包括用于检测所述有效载荷(39)的位移并产生位移信号的传感器、用于接收所述位移信号并基于所述位移信号产生控制信号的控制器(49)、以及被布置成基于所述控制信号产生致动力的致动器(47)，其特征在于，所述系统包括支撑所述有效载荷(39)的质量(41)，所述传感器被布置成检测所述有效载荷(39)相对于所述质量的位移，以及所述致动器被布置成将所述致动力施加于所述质量(41)，以使所述有效载荷(39)被用作惯性参考质量。
2.根据权利要求1所述的有源隔振系统，其中所述有效载荷(39)支撑一个或多个设备(57)。
3.根据权利要求1或2所述的有源隔振系统，其中所述质量(41)通过另一根弹簧(45)由主体(16；51)支撑，以及所述致动器(47)被布置成将所述致动力施加在所述质量(41)和所述主体(16；51)之间。
4.根据权利要求3所述的有源隔振系统，其中所述主体是地(16)。
5.根据权利要求3所述的有源隔振系统，其中所述主体是通过至少一条腿(53，55)由地(16)支撑的基架(51)。
6.根据权利要求3-5中任何一项所述的有源隔振系统，其中所述另一根弹簧(45)被布置成向所述质量(41)提供在1-10Hz的范围内的本征频率。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的有源隔振系统，其中所述弹簧(43)被布置成向所述有效载荷(39)提供在0.1-10Hz的范围内的本征频率。
8.光刻设备，其配备有根据前述权利要求中任何一项所述的有源隔振系统。
9.将有效载荷(39)与地运动相隔离的有源隔振的方法，包括：
-通过至少一根弹簧(43)支撑所述有效载荷(39)，
-提供用于检测所述有效载荷(39)的位移并产生位移信号的传感器，
-基于所述位移信号而产生控制信号，
-基于所述控制信号而产生致动力，
其特征在于，
-通过质量(41)支撑所述有效载荷(39)，
-检测所述有效载荷(39)相对于所述质量的位移，以及
-将所述致动力施加于所述质量(41)，以使所述有效载荷(39)被用作惯性参考质量。
10.根据权利要求9所述的方法，包括通过所述有效载荷(39)支撑一个或多个设备(57)，以及在工业过程中使用所述一个或多个设备(57)。
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