JP2774893B2 - 位置決め装置 - Google Patents
位置決め装置Info
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- JP2774893B2 JP2774893B2 JP234292A JP234292A JP2774893B2 JP 2774893 B2 JP2774893 B2 JP 2774893B2 JP 234292 A JP234292 A JP 234292A JP 234292 A JP234292 A JP 234292A JP 2774893 B2 JP2774893 B2 JP 2774893B2
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- surface plate
- stage
- acceleration
- signal
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、除振装置である定盤に
搭載されたＸＹステージの位置決め、特に高速高精度位
置決めに係わり、位置決めのため移動中の速度制御モー
ドを含んだものであって、外乱からの応答が著しく抑圧
されるようにした位置決め装置を提供せんとするもので
ある。
搭載されたＸＹステージの位置決め、特に高速高精度位
置決めに係わり、位置決めのため移動中の速度制御モー
ドを含んだものであって、外乱からの応答が著しく抑圧
されるようにした位置決め装置を提供せんとするもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】電子ビームを応用した電子顕微鏡やステ
ッパ等のＬＳＩ製造装置では、除振装置上にＸＹステー
ジを搭載した構成が採用されている。このような除振装
置は空気バネ、コイルバネ、防振ゴムなどの振動吸収手
段により振動を減衰させる機能を持つ。しかし、受動的
除振装置においては、床から伝達する振動はある程度減
衰できても、それに搭載されるＸＹステージ自身が発生
する振動は有効に減衰できないという問題点がある。つ
まり、ＸＹステージ自身の高速移動によって生じる反力
は除振装置を揺らせることになり、この振動はＸＹステ
ージの高速高精度位置決めを阻害する外乱になってい
る。
ッパ等のＬＳＩ製造装置では、除振装置上にＸＹステー
ジを搭載した構成が採用されている。このような除振装
置は空気バネ、コイルバネ、防振ゴムなどの振動吸収手
段により振動を減衰させる機能を持つ。しかし、受動的
除振装置においては、床から伝達する振動はある程度減
衰できても、それに搭載されるＸＹステージ自身が発生
する振動は有効に減衰できないという問題点がある。つ
まり、ＸＹステージ自身の高速移動によって生じる反力
は除振装置を揺らせることになり、この振動はＸＹステ
ージの高速高精度位置決めを阻害する外乱になってい
る。
【０００３】まず、除振装置（以下、定盤と略記する）
上にＸＹステージが搭載された場合の力学モデルを使っ
て定式化を実施する。
上にＸＹステージが搭載された場合の力学モデルを使っ
て定式化を実施する。
【０００４】図５は定盤２に搭載されたＸＹステージ１
のＸあるいはＹ水平１軸方向の力学モデルである。図示
のように、定盤２とＸＹステージ１とを含めた２自由度
の力学モデルになっている。ここで、図示の記号を使っ
て運動方程式は以下のように書き表される。
のＸあるいはＹ水平１軸方向の力学モデルである。図示
のように、定盤２とＸＹステージ１とを含めた２自由度
の力学モデルになっている。ここで、図示の記号を使っ
て運動方程式は以下のように書き表される。
【０００５】
【数１】 ただし、各記号の意味は次のとおりである。
【０００６】 ｍ1 ：ステージ質量［ｋｇ］ ｍ2 ：定盤質量［ｋｇ］ ｂ1 ：ステージの粘性摩擦係数［Ｎｓ／ｍ］ ｂ2 ：定盤の粘性摩擦係数［Ｎｓ／ｍ］ ｋ1 ：ステージのバネ定数［Ｎ／ｍ］ ｋ2 ：定盤のバネ定数［Ｎ／ｍ］ ｘ1 ：ステージ変位［ｍ］ ｘ2 ：定盤変位［ｍ］ ｆ：駆動力［Ｎ］ ｆext ：外乱［Ｎ］ ここで、ｆ，ｆext からｘ1 とｘ2 までの関係をまず求
めておく。ただし、ｓはラプラス演算子である。
めておく。ただし、ｓはラプラス演算子である。
【０００７】
【数２】 この式の分母をｇ（ｓ）とおく。
【０００８】
【数３】 次に、図５の力学モデルに位置制御系を構成したときの
制御ブロック図を図６に示す。同図において、３は図５
のブロック表現である制御対象、４は位置検出変換手
段、５は位置制御系の特性改善用の補償器、６は電力増
幅器、７はアクチュエータの推力定数、８は定盤加速度
フィードバック回路である。ただし、位置検出変換手段
４には、位置検出器としての例えばレーザ干渉計と偏差
カウンタが含まれるものとする。
制御ブロック図を図６に示す。同図において、３は図５
のブロック表現である制御対象、４は位置検出変換手
段、５は位置制御系の特性改善用の補償器、６は電力増
幅器、７はアクチュエータの推力定数、８は定盤加速度
フィードバック回路である。ただし、位置検出変換手段
４には、位置検出器としての例えばレーザ干渉計と偏差
カウンタが含まれるものとする。
【０００９】以下、同図の動作説明をしよう。まず、位
置（ｘ1 −ｘ2 ）を検出し、目標位置ｘ0 との偏差であ
るｘ0 −（ｘ1 −ｘ2 ）に対して位置検出変換手段４の
位置ゲインＫP が乗ぜられる。さらに、位置制御系の特
性改善用補償器５を通って電力増幅器６を駆動する。最
後に、ＸＹステージを駆動するアクチュエータの推力定
数Ｋt による変換を経て駆動力ｆを発生させるように構
成されている。
置（ｘ1 −ｘ2 ）を検出し、目標位置ｘ0 との偏差であ
るｘ0 −（ｘ1 −ｘ2 ）に対して位置検出変換手段４の
位置ゲインＫP が乗ぜられる。さらに、位置制御系の特
性改善用補償器５を通って電力増幅器６を駆動する。最
後に、ＸＹステージを駆動するアクチュエータの推力定
数Ｋt による変換を経て駆動力ｆを発生させるように構
成されている。
【００１０】ここで、位置のフィードバック検出が（ｘ
1 −ｘ2 ）である理由は、例えば位置検出手段であるレ
ーザ干渉計が通常の場合は定盤２に設置されるからであ
る。なお、ｘ1 が直接測定される場合にはｘ1 が制御量
になるだけで、位置決め制御の本質には格別差異はな
い。また、図示の場合、位置制御系の特性改善用の補償
器はＰＩＤ補償器となっており、Ｐ：比例動作、Ｉ：積
分動作、Ｄ：微分動作、を意味する。さらに、図示の記
号の意味と次元は以下のとおりである。
1 −ｘ2 ）である理由は、例えば位置検出手段であるレ
ーザ干渉計が通常の場合は定盤２に設置されるからであ
る。なお、ｘ1 が直接測定される場合にはｘ1 が制御量
になるだけで、位置決め制御の本質には格別差異はな
い。また、図示の場合、位置制御系の特性改善用の補償
器はＰＩＤ補償器となっており、Ｐ：比例動作、Ｉ：積
分動作、Ｄ：微分動作、を意味する。さらに、図示の記
号の意味と次元は以下のとおりである。
【００１１】 ＫP ：位置ゲイン［Ｖ／ｍ］ Ｆx ：Ｐ動作ゲイン［Ｖ／Ｖ］ Ｆi ：Ｉ動作ゲイン［Ｖ／Ｖｓｅｃ］ Ｆv ：Ｄ動作ゲイン［Ｖｓｅｃ／Ｖ］ Ｋi ：電力増幅器のゲイン［Ａ／Ｖ］ Ｔd ：電力増幅器の時定数［ｓｅｃ］ Ｋt ：推力定数［Ｎ／Ａ］ Ａ：定盤加速度フィードバックゲイン［Ｖ／ｍ／ｓｅｃ
2 ］ Ｔa ：定盤加速度フィードバック回路の時定数［ｓｅ
ｃ］ さて、図６の位置制御系において、目標位置ｘ0 と外乱
ｆext から位置（ｘ1−ｘ2 ）までの関係は次式のよう
になる。ただし、ここではまだ定盤加速度フィードバッ
ク回路８が無いものと考える。
2 ］ Ｔa ：定盤加速度フィードバック回路の時定数［ｓｅ
ｃ］ さて、図６の位置制御系において、目標位置ｘ0 と外乱
ｆext から位置（ｘ1−ｘ2 ）までの関係は次式のよう
になる。ただし、ここではまだ定盤加速度フィードバッ
ク回路８が無いものと考える。
【００１２】
【数４】 ただし、
【００１３】
【数５】 上式に示すように、目標位置ｘ0 としてステップ入力ｘ
0 ＝ｘ00／ｓが与えられたとき、最終値の定理より
0 ＝ｘ00／ｓが与えられたとき、最終値の定理より
【００１４】
【数６】 となり、位置（ｘ1 −ｘ2 ）は過渡現象が整定したあと
目標値ｘ00に収束する。しかし、（３ａ）式には外乱ｆ
ext の入力に対する伝達関数も存在することに注意せね
ばならない。すなわち、位置決め時間は目標位置ｘ0 か
らと外乱ｆext からの応答の和になり、したがって、外
乱ｆext から位置（ｘ1 −ｘ2 ）に及ぼす影響を抑圧す
ることが位置決め時間の短縮のみならず位置決め精度確
保の観点からも重要なことになっている。
目標値ｘ00に収束する。しかし、（３ａ）式には外乱ｆ
ext の入力に対する伝達関数も存在することに注意せね
ばならない。すなわち、位置決め時間は目標位置ｘ0 か
らと外乱ｆext からの応答の和になり、したがって、外
乱ｆext から位置（ｘ1 −ｘ2 ）に及ぼす影響を抑圧す
ることが位置決め時間の短縮のみならず位置決め精度確
保の観点からも重要なことになっている。
【００１５】従来、外乱ｆext が位置（ｘ1 −ｘ2 ）に
及ぼす影響を抑圧する方法として、定盤２の加速度信号
を検出してＸＹステージ１を駆動する電力増幅器入力部
へフィードバックする方法が知られていた。例えば、文
献、精密工学会誌『空気浮上式高速ＸＹステージの試作
（ＪＳＰＥ−５２−１０，’８６−１０−１７１３）』
には、定盤加速度を検出して制御系にフィードバックす
る構成が開示されている。同文献中には次のように記述
されている。
及ぼす影響を抑圧する方法として、定盤２の加速度信号
を検出してＸＹステージ１を駆動する電力増幅器入力部
へフィードバックする方法が知られていた。例えば、文
献、精密工学会誌『空気浮上式高速ＸＹステージの試作
（ＪＳＰＥ−５２−１０，’８６−１０−１７１３）』
には、定盤加速度を検出して制御系にフィードバックす
る構成が開示されている。同文献中には次のように記述
されている。
【００１６】『ステージの移動体が横方向に高速移動す
ることにより、定盤の横揺れが起こる。（中略）したが
って、定盤の振動による相対的な位置ずれも加速度と比
例関係にあることから、定盤の横方向の変動を加速度計
で検出し、制御系にフィードバックすれば性能向上が図
れると考え、その回路を付加した。』上述のように、機
構の動きを物理的に捉えて定盤加速度フィードバックの
採用に至っている。
ることにより、定盤の横揺れが起こる。（中略）したが
って、定盤の振動による相対的な位置ずれも加速度と比
例関係にあることから、定盤の横方向の変動を加速度計
で検出し、制御系にフィードバックすれば性能向上が図
れると考え、その回路を付加した。』上述のように、機
構の動きを物理的に捉えて定盤加速度フィードバックの
採用に至っている。
【００１７】そこで、この例について検討する。まず、
力学モデルに基づき、数式を用いて陽に定盤加速度フィ
ードバックの効果を示す。その後、定盤加速度フィード
バック投入の効果を実験結果によって示す。再び、図６
を参照して、ここで定盤加速度フィードバック回路８が
機能した場合の定式化を行なう。まず、目標位置ｘ0と
外乱ｆext から位置（ｘ1 −ｘ2 ）までの関係は次式の
ように表現される。
力学モデルに基づき、数式を用いて陽に定盤加速度フィ
ードバックの効果を示す。その後、定盤加速度フィード
バック投入の効果を実験結果によって示す。再び、図６
を参照して、ここで定盤加速度フィードバック回路８が
機能した場合の定式化を行なう。まず、目標位置ｘ0と
外乱ｆext から位置（ｘ1 −ｘ2 ）までの関係は次式の
ように表現される。
【００１８】
【数７】 ただし、
【００１９】
【数８】 上式において、ｘ0 ＝０とおいて外乱ｆext からの応答
だけを考えてみよう。外乱項の分子多項式において［
］内の式を抜き出すと
だけを考えてみよう。外乱項の分子多項式において［
］内の式を抜き出すと
【００２０】
【数９】 である。したがって、定盤加速度フィードバックゲイン
Ａを次式のように設定すれば、外乱からの応答はかなり
低減させることが可能である。
Ａを次式のように設定すれば、外乱からの応答はかなり
低減させることが可能である。
【００２１】
【数１０】 整理すると、定盤加速度フィードバックが無い場合とそ
のフィードバックゲインを最適設定すなわち、定盤加速
度フィードバックゲインＡを（７）式に従って設定した
場合で外乱ｆext から位置（ｘ1 −ｘ2 ）までの伝達関
数はそれぞれ以下のようになる。
のフィードバックゲインを最適設定すなわち、定盤加速
度フィードバックゲインＡを（７）式に従って設定した
場合で外乱ｆext から位置（ｘ1 −ｘ2 ）までの伝達関
数はそれぞれ以下のようになる。
【００２２】（１）定盤加速度フィードバックが無い場
合
合
【００２３】
【数１１】 （２）定盤加速度フィードバックが最適に設定された場
合
合
【００２４】
【数１２】 ここで、（８）と（９）式の分子多項式をみると、
（８）式の方が次数が１次低いことが了解される。ま
た、数値解析及び周波数応答の実測結果より、定盤加速
度フィードバックの有無で位置制御系の特性方程式の主
要な根がほとんど変化しないことが分かっている。した
がって、（８）と（９）式の分子多項式の次数を比較す
れば、定盤加速度フィードバックの最適設定を行うこと
によって、低周波数成分の応答が、同フィードバックの
無い場合に比較してより抑圧されることになる。この事
実を明確にするために、床振動ｘB から位置（ｘ1 −ｘ
2 ）までの周波数応答を比較してみる。この指標は、床
の振動レベルが与えられたとき位置決め精度の判定基準
を満たすか否かが問題となるので重要である。まず、図
５の２自由度の力学モデルに床振動がどのように組み込
まれるのかを考える。同図において、斜線を施した部位
が床を表現しており、この振動をｘB とすれば運動方程
式は
（８）式の方が次数が１次低いことが了解される。ま
た、数値解析及び周波数応答の実測結果より、定盤加速
度フィードバックの有無で位置制御系の特性方程式の主
要な根がほとんど変化しないことが分かっている。した
がって、（８）と（９）式の分子多項式の次数を比較す
れば、定盤加速度フィードバックの最適設定を行うこと
によって、低周波数成分の応答が、同フィードバックの
無い場合に比較してより抑圧されることになる。この事
実を明確にするために、床振動ｘB から位置（ｘ1 −ｘ
2 ）までの周波数応答を比較してみる。この指標は、床
の振動レベルが与えられたとき位置決め精度の判定基準
を満たすか否かが問題となるので重要である。まず、図
５の２自由度の力学モデルに床振動がどのように組み込
まれるのかを考える。同図において、斜線を施した部位
が床を表現しており、この振動をｘB とすれば運動方程
式は
【００２５】
【数１３】 となる。したがって、（１）式において、
【００２６】
【数１４】 と置き換えれば、位置制御が掛けられた場合における床
振動ｘB から位置（ｘ1−ｘ2 ）までの伝達関数が得ら
れる。すなわち、次式となる。
振動ｘB から位置（ｘ1−ｘ2 ）までの伝達関数が得ら
れる。すなわち、次式となる。
【００２７】
【数１５】 そこで、上式を使った振動伝達率の周波数応答を図７に
示す。同図のＦＢはフィードバックの略である。同図に
おいて、斜線を施した部分が定盤加速度フィードバック
の最適設定によってより床振動の伝達が抑圧される周波
数領域である。明らかに、定盤加速度フィードバックの
投入によって、床振動はそれが無い場合に比較してより
抑圧される。なお、同図の見方であるが、定盤２を設置
した床振動のレベルが１［μｍ］ならば、０［ｄＢ］ラ
インがここに相当し、−２０［ｄＢ］では床振動は１０
０［ｎｍ］に、−４０［ｄＢ］では１０［ｎｍ］にまで
床振動は抑圧されて干渉計出力に伝達されること、つま
り床振動が減衰したのと同じことを意味する。
示す。同図のＦＢはフィードバックの略である。同図に
おいて、斜線を施した部分が定盤加速度フィードバック
の最適設定によってより床振動の伝達が抑圧される周波
数領域である。明らかに、定盤加速度フィードバックの
投入によって、床振動はそれが無い場合に比較してより
抑圧される。なお、同図の見方であるが、定盤２を設置
した床振動のレベルが１［μｍ］ならば、０［ｄＢ］ラ
インがここに相当し、−２０［ｄＢ］では床振動は１０
０［ｎｍ］に、−４０［ｄＢ］では１０［ｎｍ］にまで
床振動は抑圧されて干渉計出力に伝達されること、つま
り床振動が減衰したのと同じことを意味する。
【００２８】次に、ステージのステップ応答波形の実測
結果を示して定盤加速度フィードバックの有無による比
較を行う。図８（ａ）の定盤加速度フィードバックが無
い場合で、ステージをステップ応答させたときの位置制
御系の偏差出力である。この場合、位置制御系の固有振
動数で過渡振動を経たのち定盤機構の固有振動数で長時
間にわたって振動を繰り返すという現象が生じている。
しかし、同図（ｂ）の場合は、定盤加速度フィードバッ
クがほぼ最適に設定されており、ステップ応答の初期の
段階はやはり制御系の固有周波数で過渡振動が生じるも
のの、その後、定盤機構の固有周波数の振動は抑圧され
ている。まとめると、定盤加速度フィードバックの最適
設定により次のような利点が生じる。
結果を示して定盤加速度フィードバックの有無による比
較を行う。図８（ａ）の定盤加速度フィードバックが無
い場合で、ステージをステップ応答させたときの位置制
御系の偏差出力である。この場合、位置制御系の固有振
動数で過渡振動を経たのち定盤機構の固有振動数で長時
間にわたって振動を繰り返すという現象が生じている。
しかし、同図（ｂ）の場合は、定盤加速度フィードバッ
クがほぼ最適に設定されており、ステップ応答の初期の
段階はやはり制御系の固有周波数で過渡振動が生じるも
のの、その後、定盤機構の固有周波数の振動は抑圧され
ている。まとめると、定盤加速度フィードバックの最適
設定により次のような利点が生じる。
【００２９】（１）定盤に印加される外乱ｆext から位
置（ｘ1 −ｘ2 ）までの応答が抑圧可能である。
置（ｘ1 −ｘ2 ）までの応答が抑圧可能である。
【００３０】（２）床振動ｘB から位置（ｘ1 −ｘ2 ）
までの応答も抑圧され得る。
までの応答も抑圧され得る。
【００３１】（３）定盤に搭載されたステージ駆動の反
力による定盤の振動が位置決め時間に及ぼす影響を低減
できる。
力による定盤の振動が位置決め時間に及ぼす影響を低減
できる。
【００３２】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
述の従来例では最適設定を行なっても定盤加速度信号に
対する時定数Ｔa とドライバの時定数Ｔd が有限値であ
ることに原因する限界がある。この限界は図９に示され
る。同図は時定数Ｔa とＴd の両者を同時に現行の値か
ら1/2 、次に1/3 へと小さくしていったときの床振動ｘ
B から位置（ｘ1 −ｘ 2 ）までの振動伝達率である。こ
れらの時定数を小さくすると、徐々に振動伝達率を低下
させることができる。しかし、現実にはＴa を小さくす
ることは極めて困難であった。何故ならば、定盤加速度
を検出するためには感度の高い、例えばサーボ式の加速
度センサを使用せねばならず、このセンサ自身の周波数
帯域は高々１００［Ｈｚ］程度までしかないからであ
る。その上、加速度センサの電気的ノイズを低減させる
ためにセンサ自身の帯域よりも低い位置に折点周波数を
有するローパスフィルタを挿入せねばならなかった。つ
まり、周波数帯域を高い方へ広げることには限界があっ
た。したがって、時定数Ｔa が比較的大きいことに原因
して、外乱、床振動、そしてＸＹステージが駆動された
ときの反力に対する抑圧効果を向上させることが制限さ
れていた。
述の従来例では最適設定を行なっても定盤加速度信号に
対する時定数Ｔa とドライバの時定数Ｔd が有限値であ
ることに原因する限界がある。この限界は図９に示され
る。同図は時定数Ｔa とＴd の両者を同時に現行の値か
ら1/2 、次に1/3 へと小さくしていったときの床振動ｘ
B から位置（ｘ1 −ｘ 2 ）までの振動伝達率である。こ
れらの時定数を小さくすると、徐々に振動伝達率を低下
させることができる。しかし、現実にはＴa を小さくす
ることは極めて困難であった。何故ならば、定盤加速度
を検出するためには感度の高い、例えばサーボ式の加速
度センサを使用せねばならず、このセンサ自身の周波数
帯域は高々１００［Ｈｚ］程度までしかないからであ
る。その上、加速度センサの電気的ノイズを低減させる
ためにセンサ自身の帯域よりも低い位置に折点周波数を
有するローパスフィルタを挿入せねばならなかった。つ
まり、周波数帯域を高い方へ広げることには限界があっ
た。したがって、時定数Ｔa が比較的大きいことに原因
して、外乱、床振動、そしてＸＹステージが駆動された
ときの反力に対する抑圧効果を向上させることが制限さ
れていた。
【００３３】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたものであり、低周波数域で高感度を
有する加速度センサと中域以上で高感度を有する加速度
センサを定盤にそれぞれ、設置し、最適設定を行ない、
さらに両者のゲインを一致させたあとに並列加算してそ
の出力をフィードバックする構成にする。このような構
成にすると、定盤加速度検出点から並列加算出力までの
周波数特性は高帯域にわたって平坦となる。すなわち、
従来の定盤加速度フィードバック回路８の時定数をさら
に小さくしたのと同じ効果を奏することが可能となる。
つまり、（７）式の最適設定を行ない、定盤加速度検出
点から電力増幅器の入力点までの周波数特性を高帯域に
わたって平坦とすれば、上記の課題は解決できるのであ
る。したがって、このようにすればこの時定数が大きい
ことに原因した外乱抑圧効果の制約を軽減して、さらに
大きな抑圧性能を取得できる。
するためになされたものであり、低周波数域で高感度を
有する加速度センサと中域以上で高感度を有する加速度
センサを定盤にそれぞれ、設置し、最適設定を行ない、
さらに両者のゲインを一致させたあとに並列加算してそ
の出力をフィードバックする構成にする。このような構
成にすると、定盤加速度検出点から並列加算出力までの
周波数特性は高帯域にわたって平坦となる。すなわち、
従来の定盤加速度フィードバック回路８の時定数をさら
に小さくしたのと同じ効果を奏することが可能となる。
つまり、（７）式の最適設定を行ない、定盤加速度検出
点から電力増幅器の入力点までの周波数特性を高帯域に
わたって平坦とすれば、上記の課題は解決できるのであ
る。したがって、このようにすればこの時定数が大きい
ことに原因した外乱抑圧効果の制約を軽減して、さらに
大きな抑圧性能を取得できる。
【００３４】
【実施例】図１は本発明に係る高帯域定盤加速度フィー
ドバック回路を備えた位置決め装置の一実施例である。
同図において、破線内の高帯域定盤加速度フィードバッ
ク回路９の伝達関数は
ドバック回路を備えた位置決め装置の一実施例である。
同図において、破線内の高帯域定盤加速度フィードバッ
ク回路９の伝達関数は
【００３５】
【数１６】 である。ただし、 Ａ：低周波数域で高感度を有する定盤加速度フィードバ
ック回路のゲイン［Ｖ／ｍ／ｓｅｃ2 ］ Ｂ：中域以上の周波数で高感度を有する定盤加速度フィ
ードバック回路のゲイン［Ｖ／ｍ／ｓｅｃ2 ］ である。両ゲインは一致させる必要があり、Ａ＝Ｂとな
るようにする。その為、図中ではＢをＡと置き換えて表
示している。加速度センサ自身の検出感度が異なってい
ても、加速度センサ以降に接続するアンプによってゲイ
ンを一致させることは困難ではない。さらに、Ｔa ＞＞
Ｔb とおくと、（１３）式は
ック回路のゲイン［Ｖ／ｍ／ｓｅｃ2 ］ Ｂ：中域以上の周波数で高感度を有する定盤加速度フィ
ードバック回路のゲイン［Ｖ／ｍ／ｓｅｃ2 ］ である。両ゲインは一致させる必要があり、Ａ＝Ｂとな
るようにする。その為、図中ではＢをＡと置き換えて表
示している。加速度センサ自身の検出感度が異なってい
ても、加速度センサ以降に接続するアンプによってゲイ
ンを一致させることは困難ではない。さらに、Ｔa ＞＞
Ｔb とおくと、（１３）式は
【００３６】
【数１７】 となる。この周波数応答の一例は図２に示す。すなわ
ち、破線で示すローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと略
記）の周波数応答と一点鎖線で示すバンドパスフィルタ
（以下、ＢＰＦと略記）の出力を並列加算した場合に
は、実線で示すように高周波数に折点周波数を有するＬ
ＰＦ特性になる。つまり、従来の定盤加速度フィードバ
ック回路８では低周波に折点周波数を有する次式の伝達
関数で示されるＬＰＦ特性であった。
ち、破線で示すローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと略
記）の周波数応答と一点鎖線で示すバンドパスフィルタ
（以下、ＢＰＦと略記）の出力を並列加算した場合に
は、実線で示すように高周波数に折点周波数を有するＬ
ＰＦ特性になる。つまり、従来の定盤加速度フィードバ
ック回路８では低周波に折点周波数を有する次式の伝達
関数で示されるＬＰＦ特性であった。
【００３７】
【数１８】 しかし、本発明によれば、定盤加速度からフィードバッ
ク印加点までのＬＰＦ特性は次式のように、より折点周
波数が高周波数に位置されたものとなる。すなわち、
ク印加点までのＬＰＦ特性は次式のように、より折点周
波数が高周波数に位置されたものとなる。すなわち、
【００３８】
【数１９】 となる。したがって、従来、外乱ｆext から位置（ｘ1
−ｘ2 ）までの伝達関数が
−ｘ2 ）までの伝達関数が
【００３９】
【数２０】 であったものが、伝達関数の形は同様であるが、上式の
Ｔa をＴb と置き換えたものになる。しかし、この時定
数が変化しても分母多項式の主要な根はほとんど変化し
ないことがわかっている。一方、分子多項式は
Ｔa をＴb と置き換えたものになる。しかし、この時定
数が変化しても分母多項式の主要な根はほとんど変化し
ないことがわかっている。一方、分子多項式は
【００４０】
【数２１】 と変化するので、明らかにｓにかかる係数は小さくな
る。したがって、高帯域定盤加速度フィードバック回路
９と成すことによって、床振動ｘB からの影響がより抑
圧されることになる。もちろん、外乱ｆext からの応答
もより抑圧されることは言うまでもない。
る。したがって、高帯域定盤加速度フィードバック回路
９と成すことによって、床振動ｘB からの影響がより抑
圧されることになる。もちろん、外乱ｆext からの応答
もより抑圧されることは言うまでもない。
【００４１】
【他の実施例】本発明の位置決め装置の中で使用される
高帯域定盤加速度フィードバック回路９は、低周波域で
高感度を有するＬＰＦ特性の回路出力と中帯域以上で検
出高感度を有するＢＰＦ特性の回路出力とをゲインを一
致させて並列加算する構成が採用されている。この中
で、ＬＰＦは１次遅れの伝点周波数以下及び高域折点周
波数以上の特性は１次の周波数特性であった。しかし、
ＬＰＦ，ＢＰＦともに高次のフィルタでもよいことは言
うまでもない。
高帯域定盤加速度フィードバック回路９は、低周波域で
高感度を有するＬＰＦ特性の回路出力と中帯域以上で検
出高感度を有するＢＰＦ特性の回路出力とをゲインを一
致させて並列加算する構成が採用されている。この中
で、ＬＰＦは１次遅れの伝点周波数以下及び高域折点周
波数以上の特性は１次の周波数特性であった。しかし、
ＬＰＦ，ＢＰＦともに高次のフィルタでもよいことは言
うまでもない。
【００４２】また、本発明では位置制御系を構成したと
きにおいて高帯域定盤加速度フィードバック回路９を付
加したときの効果を示した。しかし、図３に示すように
速度制御系を構成してこの高帯域定盤加速度フィードバ
ック回路９を付加した場合も外乱や床振動からの影響を
抑圧することが可能である。なお、図中の１０は速度検
出変換手段を、１１はＰＩ補償器を示す。位置決めの前
段として、この速度制御のモードを用いることがある。
そのため、この速度制御も位置決め制御に含めて考える
ことができる。
きにおいて高帯域定盤加速度フィードバック回路９を付
加したときの効果を示した。しかし、図３に示すように
速度制御系を構成してこの高帯域定盤加速度フィードバ
ック回路９を付加した場合も外乱や床振動からの影響を
抑圧することが可能である。なお、図中の１０は速度検
出変換手段を、１１はＰＩ補償器を示す。位置決めの前
段として、この速度制御のモードを用いることがある。
そのため、この速度制御も位置決め制御に含めて考える
ことができる。
【００４３】さらに、図４に示すように制御対象３だけ
にこの高帯域定盤加速度フィードバック回路９を付加し
た場合も外乱や床振動からの影響を抑圧できる。この証
明は簡単であり、（１）式に基づいて定式化を行えば容
易に分かる。そのため、この制御を位置決め制御の位置
制御又は速度制御のマイナーループとして構成できる。
にこの高帯域定盤加速度フィードバック回路９を付加し
た場合も外乱や床振動からの影響を抑圧できる。この証
明は簡単であり、（１）式に基づいて定式化を行えば容
易に分かる。そのため、この制御を位置決め制御の位置
制御又は速度制御のマイナーループとして構成できる。
【００４４】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、低周波
数領域で高感度を有する加速度センサをＬＰＦに通した
出力と、中帯域以上で高感度を有する加速度センサの出
力をＢＰＦに通した出力とをゲインを一致させて加算し
最適設定された高帯域定盤加速度フィードバック回路９
を付加することにより、定盤加速度から加算出力までの
周波数特性が高周波に折点を有するＬＰＦ特性となる。
したがって、定盤加速度信号に対するＬＰＦの時定数が
大きいことに原因して外乱あるいは床振動から干渉計出
力までの影響の抑圧効果が制限されてことが回避可能と
なる。すなわち、外乱ｆext 、床振動ｘB 、そしてステ
ージ自身の駆動による反力が干渉計出力に及ぼす影響
を、従来の単に定盤加速度フィードバック回路８を付加
したときと比較して強力に抑圧できるという効果があ
る。したがって、位置決め時間の短縮及び位置決め精度
の向上も可能という効果がある。
数領域で高感度を有する加速度センサをＬＰＦに通した
出力と、中帯域以上で高感度を有する加速度センサの出
力をＢＰＦに通した出力とをゲインを一致させて加算し
最適設定された高帯域定盤加速度フィードバック回路９
を付加することにより、定盤加速度から加算出力までの
周波数特性が高周波に折点を有するＬＰＦ特性となる。
したがって、定盤加速度信号に対するＬＰＦの時定数が
大きいことに原因して外乱あるいは床振動から干渉計出
力までの影響の抑圧効果が制限されてことが回避可能と
なる。すなわち、外乱ｆext 、床振動ｘB 、そしてステ
ージ自身の駆動による反力が干渉計出力に及ぼす影響
を、従来の単に定盤加速度フィードバック回路８を付加
したときと比較して強力に抑圧できるという効果があ
る。したがって、位置決め時間の短縮及び位置決め精度
の向上も可能という効果がある。
【００４５】ただし、加速度信号に対するＬＰＦの時定
数の低下は目標位置から干渉計出力までの応答における
高周波域のゲイン上昇をもたらす。したがって、制御対
象３にモデル化はされていない高周波ダイナミクス、す
なわち機械共振などが存在する場合には、これを刺激し
て位置決め特性を劣化させるという問題が生じることに
注意せねばならない。
数の低下は目標位置から干渉計出力までの応答における
高周波域のゲイン上昇をもたらす。したがって、制御対
象３にモデル化はされていない高周波ダイナミクス、す
なわち機械共振などが存在する場合には、これを刺激し
て位置決め特性を劣化させるという問題が生じることに
注意せねばならない。
【図１】本発明の一実施例に係る定盤加速度フィードバ
ック回路を備えた位置決め装置の構成を示す制御ブロッ
ク図、
ック回路を備えた位置決め装置の構成を示す制御ブロッ
ク図、
【図２】ＬＰＦとＢＰＦの出力とをゲインを一致させて
並列加算した場合の周波数特性を示す図、
並列加算した場合の周波数特性を示す図、
【図３】高帯域定盤加速度フィードバック回路を備えた
速度制御系のブロック図、
速度制御系のブロック図、
【図４】高帯域定盤加速度フィードバック回路を備えた
加速度マイナーループのブロック図、
加速度マイナーループのブロック図、
【図５】定盤に搭載されたＸＹステージの水平１軸方向
の力学モデルを示す図、
の力学モデルを示す図、
【図６】位置制御系を構成したときの制御ブロック図、
【図７】床振動から干渉計出力までの振動伝達率を示す
周波数特性、
周波数特性、
【図８】定盤加速度フィードバックの有無によるステー
ジのステップ応答波形、
ジのステップ応答波形、
【図９】時定数Ｔa ，Ｔd を小さくした場合の床振動か
ら干渉計出力までの振動伝達率を示す周波数特性、であ
る。
ら干渉計出力までの振動伝達率を示す周波数特性、であ
る。
１ ＸＹステージ ２ 定盤 ３ 制御対象 ４ 位置検出変換手段 ５ 特性改善用の補償器 ６ 電力増幅器 ７ 推力定数 ８ 定盤加速度フィードバック回路 ９ 高帯域定盤加速度フィードバック回路 １０ 速度検出変換手段 １１ ＰＩ補償器
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−189911（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−68118（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−1585（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−57008（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−84309（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−333110（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−63988（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G05D 3/12 305 G05D 3/12 306 B23Q 15/22 G05D 3/00
Claims (3)
- 【請求項１】 床面上に設置された除振装置である定盤
と、該定盤に搭載されるＸＹステージとからなるＸＹス
テージの位置決め装置であって、ＸＹステージの位置に
関する信号を検出する手段と床面に対する定盤の加速度
を検出する手段とを設けて、ＸＹステージの位置制御を
フィードバック制御で行う制御系を構成するようにし、
指令信号とフィードバック信号との差信号に基づく信号
に応じてＸＹステージを位置決め駆動する電力増幅器を
該制御系に含め、さらに上記の定盤の加速度を検出する
手段よりの信号を上記の差信号に基づく信号と合せて上
記電力増幅器へ入力するようにしたものにおいて、上記
の定盤の加速度を検出した信号を最適設定された高帯域
定盤加速度フィードバック回路を通して上記電力増幅器
へ入力するようにしたことを特徴とするＸＹステージの
位置決め装置。 - 【請求項２】 床面上に設置された除振装置である定盤
と、該定盤に搭載されるＸＹステージとからなるＸＹス
テージの位置決め装置であって、ＸＹステージの速度に
関する信号を検出する手段と床面に対する定盤の加速度
を検出する手段とを設けて、ＸＹステージの速度制御を
フィードバック制御で行う制御系を構成するようにし、
指令信号とフィードバック信号との差信号に基づく信号
に応じてＸＹステージを速度制御するために駆動する電
力増幅器を該制御系に含め、さらに上記の定盤の加速度
を検出する手段よりの信号を上記の差信号に基づく信号
と合せて上記電力増幅器へ入力するようにしたものにお
いて、上記の定盤の加速度を検出した信号を最適設定さ
れた高帯域定盤加速度フィードバック回路を通して上記
電力増幅器へ入力するようにしたことを特徴とする速度
制御のモードを有するＸＹステージの位置決め装置。 - 【請求項３】 最適設定された高帯域定盤加速度フィー
ドバック回路は、ローパスフィルタ特性の加速度センサ
出力とバンドパス特性の加速度センサ出力とをゲインを
一致させて加算したフィードバック回路であることを特
徴とした請求項１又は請求項２記載のＸＹステージの位
置決め装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP234292A JP2774893B2 (ja) | 1992-01-09 | 1992-01-09 | 位置決め装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP234292A JP2774893B2 (ja) | 1992-01-09 | 1992-01-09 | 位置決め装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05189050A JPH05189050A (ja) | 1993-07-30 |
| JP2774893B2 true JP2774893B2 (ja) | 1998-07-09 |
Family
ID=11526616
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP234292A Expired - Fee Related JP2774893B2 (ja) | 1992-01-09 | 1992-01-09 | 位置決め装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2774893B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IT1279369B1 (it) * | 1994-08-30 | 1997-12-10 | Nuovo Pignone Spa | Sistema perfezionato di posizionamento automatico |
| SG84531A1 (en) * | 1999-05-20 | 2001-11-20 | Univ Singapore | Disturbance attenuation in a precision servomechanism by a frequency-separated acceleration soft sensor |
| JP4605135B2 (ja) * | 2006-10-05 | 2011-01-05 | 株式会社ジェイテクト | 加工装置 |
| WO2016125804A1 (ja) | 2015-02-04 | 2016-08-11 | 三菱電機株式会社 | 電動機用制御装置及び産業用機械装置 |
| TWI716139B (zh) * | 2019-10-05 | 2021-01-11 | 國立成功大學 | 多波段加速規 |
-
1992
- 1992-01-09 JP JP234292A patent/JP2774893B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05189050A (ja) | 1993-07-30 |
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