JP2007188251A - Stage apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はステージ装置に係り、特にステージを移動させる際の反力によるモーメントが生じてステージを支持するベースが傾くことを防止するよう構成したステージ装置に関する。 The present invention relates to a stage apparatus, and more particularly to a stage apparatus configured to prevent a base that supports a stage from tilting due to a moment generated by a reaction force when the stage is moved.
ステージ装置においては、ステージの水平移動を高精度に行なうことが要求されており、ステージの両端に設けられたスライダをリニアモータの推力により所定の速度で移動させるようにリニアモータの推力を制御している。さらに、リニアモータは、大きな重量を有する石定盤(ベース)に支持されており、石定盤上に対して空気ベアリングを構成する静圧パッドによりステージを低摩擦で駆動することができるように構成されている。 The stage device is required to move the stage horizontally with high precision, and the linear motor thrust is controlled so that the sliders provided at both ends of the stage are moved at a predetermined speed by the thrust of the linear motor. ing. Furthermore, the linear motor is supported by a stone surface plate (base) having a large weight so that the stage can be driven with low friction by a static pressure pad constituting an air bearing on the stone surface plate. It is configured.
一方、石定盤を支持する架台には、床から伝播する振動を吸収する除振ユニットが設けられており、石定盤に外部からの振動が伝わらないようにしている。このように構成されたステージ装置では、リニアモータの推力によってステージを移動させる際、その反力を石定盤によって受けることになる。石定盤は、剛性が高く、質量も十分大きいので、リニアモータからの反力によって変形を生じないが、石定盤を支持する除振ユニットは、ばね部材とダンパ機能を有する弾性変形可能な構成であるので、石定盤を介して伝播された反力によってステージの移動方向と逆方向に微小な弾性変形を生じてしまう。その結果、架台に支持された石定盤に微小な変位が印加されることになる。 On the other hand, the gantry that supports the stone surface plate is provided with a vibration isolation unit that absorbs vibrations propagating from the floor, so that external vibrations are not transmitted to the stone surface plate. In the stage apparatus configured as described above, when the stage is moved by the thrust of the linear motor, the reaction force is received by the stone surface plate. The stone surface plate has high rigidity and large enough mass so that it will not be deformed by the reaction force from the linear motor, but the vibration isolation unit that supports the stone surface plate can be elastically deformed with a spring member and a damper function. Due to the configuration, the reaction force propagated through the stone surface plate causes minute elastic deformation in the direction opposite to the moving direction of the stage. As a result, a minute displacement is applied to the stone surface plate supported by the gantry.
このような、ステージを移動させる際の反力による影響を抑制するため、リニアモータがステージを移動させる際に反力と逆方向の力を発生させるアクチュエータを設けて反力をキャンセルするように構成されたステージ装置がある(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記特許文献1では、リニアモータの反力をキャンセルするアクチュエータが石定盤の側方に配置されるため、ステージ上のワークテーブルにワークを搬送する搬送機構の動作が制限されてしまうという問題があった。
However, in
また、上記問題を解消するためにアクチュエータをステージが移動する水平面と異なる高さ位置に配置した場合には、反力によるステージの重心回りのモーメントが発生するため、石定盤にモーメントによる振動や微小な傾きが生じてしまう。 In addition, if the actuator is placed at a different height from the horizontal plane on which the stage moves to solve the above problem, a moment around the center of gravity of the stage is generated by the reaction force. A slight tilt will occur.
そこで、本発明は上記事情に鑑み、課題を解決したステージ装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a stage apparatus that solves the problem.
上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。 In order to solve the above problems, the present invention has the following means.
請求項1記載の発明は、ステージと、該ステージを移動させるアクチュエータと、該アクチュエータを支持するベースと、該ベースを支持する架台と、前記ベースと前記架台との間で振動を吸収する除振ユニットと、前記アクチュエータを制御する制御部とを有するステージ装置において、前記アクチュエータが前記ステージを駆動する際の生じる水平方向の反力と前記ステージの重心回りに作用する反力モーメントをキャンセルするキャンセル用アクチュエータを備えたことを特徴とする。
The invention according to
請求項2記載の発明は、前記キャンセル用アクチュエータが、前記ステージを移動させる水平方向に対して所定角度傾斜させて取り付けられ、傾斜角度に応じた配分で前記反力及び前記反力モーメントをキャンセルすることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the canceling actuator is attached to be inclined at a predetermined angle with respect to a horizontal direction in which the stage is moved, and cancels the reaction force and the reaction force moment by distribution according to the inclination angle. It is characterized by that.
請求項3記載の発明は、前記キャンセル用アクチュエータが、固定子に対して可動子を前記ステージの移動方向に移動させるリニアモータからなり、前記固定子が前記架台に支持され、前記可動子が前記ベースの下面に結合されたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the canceling actuator includes a linear motor that moves the mover in the moving direction of the stage relative to the stator, the stator is supported by the gantry, and the mover is It is connected to the lower surface of the base.
請求項4記載の発明は、前記制御部が、前記アクチュエータへのステージ駆動指令に同期して前記キャンセル用アクチュエータへの駆動指令を生成する反力処理制御手段を有することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the control unit includes reaction force processing control means for generating a drive command for the canceling actuator in synchronization with a stage drive command for the actuator.
請求項5記載の発明は、前記制御部が、前記アクチュエータへステージ駆動指令を生成するステージ推力演算手段と、該ステージ推力演算手段からのステージ駆動指令を前記反力処理制御手段に供給する信号経路とを有し、前記反力処理制御手段は、前記ステージ駆動指令の供給と共に前記キャンセル用アクチュエータに前記ステージ駆動指令に対応したキャンセル用推力を発生させることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, the control unit generates a stage thrust calculation means for generating a stage drive command to the actuator, and a signal path for supplying the stage drive command from the stage thrust calculation means to the reaction force processing control means. The reaction force processing control means generates a canceling thrust corresponding to the stage driving command to the canceling actuator together with the supply of the stage driving command.
本発明によれば、アクチュエータがステージを駆動する際の生じる水平方向の反力とステージの重心回りに作用する反力モーメントをキャンセルするキャンセル用アクチュエータを備えたため、ワークを搬送する搬送機構の動作が制限されず、且つステージの重心回りのモーメントを抑制してベースが傾くことを防止することができる。 According to the present invention, since the actuator for canceling the horizontal reaction force generated when the actuator drives the stage and the reaction force moment acting around the center of gravity of the stage is provided, the operation of the transport mechanism for transporting the workpiece can be performed. It is not limited, and the moment around the center of gravity of the stage can be suppressed to prevent the base from tilting.
また、本発明によれば、キャンセル用アクチュエータが、ステージを移動させる水平方向に対して所定角度傾斜させて取り付けられ、傾斜角度に応じた配分で水平方向の反力及び反力モーメントをキャンセルするため、1台のアクチュエータで水平方向の反力と反力モーメントを同時にキャンセルすることができ、キャンセル用アクチュエータ数を減らして構成の簡素化を図れると共に、キャンセル用アクチュエータの制御も簡易に行なえる。 Further, according to the present invention, the canceling actuator is attached to be inclined at a predetermined angle with respect to the horizontal direction in which the stage is moved, and in order to cancel the horizontal reaction force and reaction force moment by distribution according to the inclination angle. The horizontal reaction force and reaction force moment can be canceled simultaneously by one actuator, the number of canceling actuators can be reduced, the configuration can be simplified, and the canceling actuator can also be easily controlled.
また、本発明によれば、アクチュエータへのステージ駆動指令に同期して前記キャンセル用アクチュエータへの駆動指令を生成するため、反力のキャンセル制御を反力の発生と同じタイミングで行なえるので、キャンセル用アクチュエータのタイミングずれによる外乱を防止することができる。 Further, according to the present invention, since the drive command to the cancel actuator is generated in synchronization with the stage drive command to the actuator, the reaction force canceling control can be performed at the same timing as the reaction force generation. Disturbances due to timing differences of the actuators can be prevented.
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明によるステージ装置の一実施例を示す平面図である。図2はステージ装置の正面図である。図3はステージ装置の側面図である。図1乃至図3に示されるように、ステージ装置10は、Yステージ20と、Xステージ30と、石定盤40と、除振ユニット50と、反力による振動をキャンセルするキャンセル用アクチュエータ60A,60Bと、架台70とを有する。
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a stage apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a front view of the stage apparatus. FIG. 3 is a side view of the stage apparatus. As shown in FIGS. 1 to 3, the
Yステージ20は、X方向に延在する横架部22と、横架部22の両端に結合されたスライダ24とを有する。また、横架部22には、Xステージ30をX方向に移動させるXリニアモータ26と、Xリニアスケール28が設けられている。Xリニアモータ26は、横架部22に固定されX方向に延在形成された固定子(ヨーク)26aと、Xステージ30の下面に結合された可動子(コイル)26bとから構成されている。
The
また、Xステージ30は、底部に石定盤40の上面を滑動するエアパッド32が取り付けられており、横架部22に沿ってX方向に低摩擦で移動する。
In addition, an
さらに、石定盤40は、上面にスライダ24をY方向にガイドするYガイド42と、スライダ24をY方向に駆動するYリニアモータ44と、スライダ24の位置を計測するリニアスケール46とを有する。Yリニアモータ44は、石定盤40に固定されY方向に延在形成された固定子(ヨーク)44aと、スライダ24の側面に結合された可動子(コイル)44bとから構成されている。また、スライダ24には、Yガイド42の両側面に対向して空気層を形成するエアパッド48が取り付けられており、Yガイド42に沿ってY方向に低摩擦で移動する。
Further, the
石定盤40と架台70との間に形成された空間には、除振ユニット50とキャンセル用アクチュエータ60A,60Bとが配されている。従って、キャンセル用アクチュエータ60A,60Bを石定盤40の下方に設けたため、ワークを搬送する搬送機構(図示せず)の動作が制限されず、且つステージの重心回りのモーメントを抑制してベースが傾くことを防止することができる。
In a space formed between the
除振ユニット50は、空気ばねやゴム等の弾性体により形成されており、架台70を介して入力された床面からの振動が石定盤40に伝播しないように振動を吸収するものである。この除振ユニット50は、石定盤40の四隅の角部付近に配置されており、上下方向の振動成分を吸収するように構成されている。ここで、Xリニアモータ26の推力によりXステージ30を移動させる際の反力は、横架部22、スライダ24、Yガイド42を介して石定盤40に伝播される。その際、石定盤40には、水平方向の反力とXステージ30の重心を中心とするモーメントとが作用する。この反力のモーメントが石定盤40に印加された場合、モーメントの方向によって片側の除振ユニット50が圧縮荷重を受け、他側の除振ユニット50が引っ張り荷重を受けることになる。除振ユニット50では、振動を吸収するように上下方向に弾性変形するため、石定盤40の側面が上下方向に振動し、除振ユニット50のダンパ機能によって振動が減衰される。
The
キャンセル用アクチュエータ60A,60Bは、固定子60aと可動子60bとを組み合わせたリニアモータからなり、固定子60a、可動子60bは水平方向に対して所定角度θ傾斜させた傾斜面を有する傾斜台62a,62bを介して架台70の上面、石定盤40の下面に取り付けられている。また、キャンセル用アクチュエータ60A,60Bは、X方向の反力をキャンセルするように固定子60aに対して可動子60bがX方向に移動する向きに取り付けられている。さらに、左側に配されたキャンセル用アクチュエータ60Aと右側に配された反力処理用アクチュエータ60Bとは、傾斜方向が互いに180°異なるように傾斜角度θが設定されている。
The
キャンセル用アクチュエータ60A,60Bは、石定盤40の下側に4台配置されており、それらの水平方向分力の合計値がXステージ30を移動させる際のX方向の反力と釣り合い、垂直方向分力によるモーメントの合計値がXステージ30を移動させる際のXステージ30の重心を中心とするモーメントによる反力と釣り合うように推力を傾斜角度θ方向に発生する。
Four
図4はステージ装置の制御部の構成を示すブロック図である。図4に示されるように、制御部80は、Xリニアモータ26を制御するコントローラ82と、コントローラ82からのステージ駆動指令bに基づいてXリニアモータ26の可動子(コイル)26bに印加される駆動信号cを生成するドライバ84とを有する。コントローラ82は、ステージ駆動コマンドaが入力されると、ステージ駆動指令bを出力してXステージ30を駆動し、Xリニアスケール28からのXステージ30の位置検出信号dとステージ駆動コマンドaとの差に応じたステージ駆動指令bを出力する。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the control unit of the stage apparatus. As shown in FIG. 4, the control unit 80 is applied to the mover (coil) 26 b of the X
制御部80は、反力処理演算部90と接続されており、反力処理演算部90にコントローラ82からのステージ駆動指令bを供給するように分岐された信号経路86を有する。反力処理演算部90は、ステージ駆動指令bが入力されるキャンセル推力演算部92と、キャンセル推力演算部92からの反力駆動指令eに応じた駆動信号fを生成するドライバ94a〜94dとを有する。
The control unit 80 is connected to the reaction force
キャンセル推力演算部92は、後述する演算式を用いてXリニアモータ26がXステージ30を駆動する際に発生する反力の大きさに応じた推力を発生させるようにキャンセル用アクチュエータ60A,60Bへの駆動指令eを演算する。従って、キャンセル推力演算部92は、Xリニアモータ26へのステージ駆動指令bに同期してキャンセル用アクチュエータ60A,60Bへの駆動指令eを生成するため、反力のキャンセル制御を反力の発生と同じタイミングで行なえるので、キャンセル用アクチュエータ60A,60Bのタイミングずれによる外乱を防止することができる。
The cancel
ここで、ステージ装置10を模式的に示す図5を参照して反力処理演算式について説明する。図5において、Xステージ30はXリニアモータ26の駆動力(推力)Fsで駆動される際、重心G1を中心としてモーメントMsを発生させる。このときの反力−Fsが石定盤40に伝播すると、石定盤40は重心G2を中心としたモーメントMbを発生させる。これらのモーメントMs,Mb及び反力−Fsは、Xステージ30の整定性能に影響する。本実施例では、キャンセル用アクチュエータ60A,60Bの推力を石定盤40に印加させることでモーメントMs,Mb及び反力−Fsを同時にキャンセルすることが可能になる。その原理を以下で説明する。
Here, the reaction force processing calculation formula will be described with reference to FIG. 5 schematically showing the
ステージ駆動推力をFs、キャンセル用アクチュエータ60A,60Bより発生させる推力をFrとした場合、図5に示すような推力Fsに対する反力−Fs、モーメントMbが石定盤40に作用する。
When the stage drive thrust is Fs and the thrust generated by the canceling
キャンセル用アクチュエータ60A,60Bの推力Frは、図5に示すとおり、水平方向(X方向)の分力Frxと垂直方向の分力Frzに分解でき、その関係式は次式(1)(2)のようになる。
Frx=Fr・cosθ ・・・(1)
Frz=Fr・sinθ ・・・(2)
次式(3)が成り立つとき、水平方向(X方向)の推力は、4台のキャンセル用アクチュエータ60A,60Bによってキャンセルされる。
−Fs+4・Frx=0 ・・・(3)
よって、水平方向(X方向)の分力Frxは、以下のように求まる。
Frx=Fs/4 ・・・(4)
次に、Xステージ30を駆動したとき、Xステージ30の重心G1、石定盤40の重心G2の夫々かかる反力モーメントMs,Mbは、以下のように求まる。以下では、反時計回りの方向を負とする。また、Xリニアモータ26の推力作用点から重心G1までの距離をH1、Xリニアモータ26の推力作用点から重心G2までの距離をH2として表す。
Ms=−Fs・H1 ・・・(5)
Mb=−Fs・H2+2Mr ・・・(6)
ここで、石定盤40の重心G2からキャンセル用アクチュエータ60A,60Bまでの距離をLとすると、反力処理モーメントMrは、次式(7)のように表せる。
Mr=Frz・L ・・・(7)
このとき、次式(8)が成り立つ場合に反力モーメントMs,Mbはキャンセルされる。
Ms+Mb=0 ・・・(8)
以上の式をまとめると、次式(9)のようになる。
Frz=(H1+H2)・Fs/2L ・・・(9)
上記(1)(2)(4)(9)式より、キャンセル用アクチュエータ60A,60Bの取り付け角度θ、及びキャンセル用アクチュエータ60A,60Bの推力Frは、以下の式で求まる。
θ=tan-1((H1+H2)/L) ・・・(10)
Fr=Fs/(2・cosθ) ・・・(11)
このように、キャンセル用アクチュエータ60A,60Bの推力Frは、キャンセル用アクチュエータ60A,60Bの傾斜角θとXリニアモータ26の推力Fsによって求まるため、傾斜角θを任意の固定値に設定することで、キャンセル用アクチュエータ60A,60Bの推力Frに応じた反力モーメントMs,Mb及びXリニアモータ26の推力の反力−Fsを同時にキャンセルすることが可能になる。従って、1台のアクチュエータで水平方向の反力−Fsと反力モーメントMs,Mbを同時にキャンセルすることができ、キャンセル用アクチュエータ数を減らして構成の簡素化を図れると共に、キャンセル用アクチュエータ60A,60Bの制御も簡易に行なえる。
As shown in FIG. 5, the thrust Fr of the canceling
Frx = Fr · cos θ (1)
Frz = Fr · sinθ (2)
When the following equation (3) holds, the thrust in the horizontal direction (X direction) is canceled by the four canceling
-Fs + 4 ・ Frx = 0 (3)
Therefore, the component force Frx in the horizontal direction (X direction) is obtained as follows.
Frx = Fs / 4 (4)
Next, when the
Ms = −Fs · H1 (5)
Mb = −Fs · H2 + 2Mr (6)
Here, if the distance from the center of gravity G2 of the
Mr = Frz ・ L ・ ・ ・ (7)
At this time, the reaction moments Ms and Mb are canceled when the following equation (8) is satisfied.
Ms + Mb = 0 (8)
The above formulas can be summarized as the following formula (9).
Frz = (H1 + H2) ・ Fs / 2L (9)
From the above equations (1), (2), (4), and (9), the mounting angle θ of the canceling
θ = tan −1 ((H1 + H2) / L) (10)
Fr = Fs / (2 · cos θ) (11)
Thus, since the thrust Fr of the canceling
図6は変形例を模式的に示す平面図である。図6に示されるように、X方向の反力をキャンセルするキャンセル用アクチュエータ60A,60Bを石定盤40の下方に設けると共に、Y方向の反力をキャンセルするキャンセル用アクチュエータ62A,62Bを石定盤40の下方に設ける。
FIG. 6 is a plan view schematically showing a modification. As shown in FIG. 6, canceling
この変形例では、石定盤40の平面状をステージ100が2次元的に移動するサーフェイス型ステージ装置110にも適用することが可能である。X方向の反力−Fsと反力モーメントMs,Mbとステージ100を駆動する際のY方向の反力と反力モーメントをキャンセルすることが可能になり、ステージ100をX方向及びY方向に同時に移動させる場合の反力処理が行なえる。
This modification can also be applied to the surface
尚、上記実施例では、除振ユニット50で石定盤40を支持する構成を一例として挙げたが、これに限らず、石定盤40が直接架台70に支持される構成のステージ装置にも適用できるのは勿論である。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
10 ステージ装置
20 Yステージ
24 スライダ
26 Xリニアモータ
28 Xリニアスケール
30 Xステージ
40 石定盤
42 Yガイド
44 Yリニアモータ
46 リニアスケール
50 除振ユニット
60A,60B キャンセル用アクチュエータ
70 架台
80 制御部
82 コントローラ
84 ドライバ
90 反力処理演算部
92 キャンセル推力演算部
94a〜94d ドライバ
110 サーフェイス型ステージ装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記アクチュエータが前記ステージを駆動する際の生じる水平方向の反力と前記ステージの重心回りに作用する反力モーメントをキャンセルするキャンセル用アクチュエータを備えたことを特徴とするステージ装置。 A stage, an actuator that moves the stage, a base that supports the actuator, a gantry that supports the base, a vibration isolation unit that absorbs vibration between the base and the gantry, and the actuator In a stage apparatus having a control unit,
A stage apparatus comprising: a canceling actuator for canceling a horizontal reaction force generated when the actuator drives the stage and a reaction force moment acting around the center of gravity of the stage.
前記アクチュエータへのステージ駆動指令に同期して前記キャンセル用アクチュエータへの駆動指令を生成する反力処理制御手段を有することを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載のステージ装置。 The controller is
5. The stage apparatus according to claim 1, further comprising a reaction force processing control unit that generates a drive command to the canceling actuator in synchronization with a stage drive command to the actuator.
前記アクチュエータへステージ駆動指令を生成するステージ推力演算手段と、
該ステージ推力演算手段からのステージ駆動指令を前記反力処理制御手段に供給する信号経路とを有し、
前記反力処理制御手段は、前記ステージ駆動指令の供給と共に前記キャンセル用アクチュエータに前記ステージ駆動指令に対応したキャンセル用推力を発生させることを特徴とする請求項1に記載のステージ装置。 The controller is
Stage thrust calculation means for generating a stage drive command to the actuator;
A signal path for supplying a stage drive command from the stage thrust calculation means to the reaction force processing control means,
2. The stage apparatus according to claim 1, wherein the reaction force processing control unit causes the canceling actuator to generate a canceling thrust corresponding to the stage driving command together with the supply of the stage driving command.
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