JP3159023B2 - Precision vibration isolation device - Google Patents

Precision vibration isolation device

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JP3159023B2
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満 蔭山
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株式会社大林組
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、例えばLSIの
縮小露光装置や電子顕微鏡あるいは走査型トンネル顕微
鏡といった精密機器を載せる目的で使われる精密除振装
置に関し、とくに振動の高調波成分も効果的に抑制する
技術改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a precision anti-vibration apparatus used for mounting precision equipment such as an LSI miniaturization exposure apparatus, an electron microscope or a scanning tunnel microscope. It relates to technical improvement to control.
【0002】[0002]
【従来の技術】よく知られているように、LSI工場な
どではつぎのような精密除振装置が使われている。電子
顕微鏡などを載せるテーブルは設置床に対して適宜な弾
性マウントとサーボアクチュエータを介して支持されて
いる。振動を検知する振動センサの出力をコンピュータ
で処理し、その処理結果に応じて前記サーボアクチュエ
ータを駆動して前記テーブルの振動を抑制する。これは
周知のアクティブ制振技術である。アクティブ制振制御
系には、前記テーブルの振動に感応する振動センサの出
力に応じてアクチュエータを駆動するフィードバック制
御系と、前記設置床の振動に感応する振動センサの出力
に応じてアクチュエータを駆動するフィードフォワード
制御系とがある。いずれか一方の制御系だけしかない装
置も知られているが、一般にはフィードバックとフィー
ドフォワードの両方の制御系を含んでいる。
2. Description of the Related Art As is well known, the following precision anti-vibration devices are used in LSI factories and the like. A table on which an electron microscope or the like is mounted is supported on an installation floor via an appropriate elastic mount and a servo actuator. The output of the vibration sensor that detects the vibration is processed by a computer, and the servo actuator is driven according to the processing result to suppress the vibration of the table. This is a known active vibration suppression technique. The active vibration suppression control system includes a feedback control system that drives an actuator according to the output of a vibration sensor that is sensitive to the vibration of the table, and an actuator that is driven according to the output of a vibration sensor that is sensitive to the vibration of the installation floor. There is a feedforward control system. A device having only one of the control systems is known, but generally includes both a feedback and a feedforward control system.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】前述のようなアクティ
ブ制振機構で、テーブルの振動をミクロン・レベル以下
まで抑制しようとした場合、低い振動数から無限に高い
振動数までミクロン・オーダー以下の精度で変位を制御
可能なアクチュエータが必要となる。比較的高い振動数
まで追従するアクチュエータ(ピエゾ・アクチュエータ
等)は、アクチュエータ自身の剛性が高く、アクチュエ
ータが追従出来ない床のより高い振動数成分の振動がア
クチュエータを介して、除振台に伝わることになる。更
に、このようなアクチュエータの場合、低い振動数では
アクチュエータのストローク不足によって振動が伝わる
ことにもなる。また、アクチュエータ自身の剛性が低い
空気圧アクチュエータ等では除振台の2次や3次の高い
振動数での追従性が悪く、効果的な制振ができないとい
う問題点があった。
When the vibration of the table is to be suppressed to the micron level or less by the active vibration damping mechanism as described above, the accuracy from the low frequency to the infinitely high frequency is on the order of microns or less. Therefore, an actuator capable of controlling the displacement is required. Actuators that follow up to relatively high frequencies (piezo actuators, etc.) have high rigidity, and the vibration of the higher frequency component of the floor that cannot be followed by the actuator is transmitted to the anti-vibration table via the actuator. become. Further, in the case of such an actuator, vibration is transmitted at a low frequency due to insufficient stroke of the actuator. In addition, a pneumatic actuator or the like having a low rigidity of the actuator itself has a problem in that the vibration isolator has poor followability at high secondary and tertiary frequencies, and cannot effectively dampen vibration.
【0004】この発明は以上の問題点に鑑みなされたも
ので、精度は粗いがストローク的に充分大きく、低い振
動数から比較的高い振動数まで追従するごく一般的なア
クチュエータを用いて、ミクロン・レベル以下まで制御
可能で高調波振動成分にも大きな除振効果を発揮するよ
うにした精密除振装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems. The accuracy is coarse, but the stroke is sufficiently large, and a micro actuator using a general actuator that follows a low frequency to a relatively high frequency is used. It is an object of the present invention to provide a precision vibration isolator which can be controlled to a level below a level and exerts a large vibration isolation effect on harmonic vibration components.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】この発明の一実施例によ
る精密除振装置の概略構成を図1に示している。ベース
テーブル1は積層ゴムや空気バネなどの弾性マウント2
を介して設置床3に支持されている。また、サーボ式油
圧シリンダからなるサーボアクチュエータ4の基端部
(シリンダ部)が設置床3に固定され、ピストンロッド
の先端部が結合バネ5を介してベーステーブル1に連結
されている。図ではサーボアクチュエータ4は1つしか
示しておらず、ベーステーブル1を水平1軸方向にしか
励振しないように見えるが、これは説明を簡単にするた
めである。もちろん通常は、水平面で直交二軸方向にベ
ーステーブル1を励振する2系統のアクチュエータ機構
を設けるし、さらにはベーステーブル1を垂直方向に励
振するアクチュエータ機構を付加することも多い。ただ
し、以下では水平1軸方向のアクチュエータ4しかない
ような説明をするが、2次元または3次元のアクティブ
制振制御を行うの場合は、以下に説明する制御系の構成
を2軸分あるいは3軸分設ければよい。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a precision vibration isolator according to one embodiment of the present invention. The base table 1 has an elastic mount 2 such as a laminated rubber or an air spring.
And is supported by the installation floor 3 via the. A base end (cylinder portion) of a servo actuator 4 composed of a servo hydraulic cylinder is fixed to the installation floor 3, and a distal end of the piston rod is connected to the base table 1 via a coupling spring 5. Although only one servo actuator 4 is shown in the figure, it appears that the base table 1 is excited only in one horizontal axis direction, but this is for the sake of simplicity. Of course, usually, two systems of actuator mechanisms for exciting the base table 1 in two orthogonal directions in a horizontal plane are provided, and an actuator mechanism for exciting the base table 1 in the vertical direction is often added. However, in the following, a description will be given assuming that there is only the actuator 1 in the horizontal one-axis direction. However, in the case of performing two-dimensional or three-dimensional active vibration suppression control, the configuration of the control system described below is equivalent to two axes or three axes. What is necessary is just to provide for an axis.
【0006】ベーステーブル1の直下の設置床3の振動
に感応する振動センサ6aと、ベーステーブル1の振動
に感応する振動センサ6bとが付設されている。また、
サーボアクチュエータ4の可動部(ピストンまたはピス
トンロッド)の変位を検出する変位センサ6cが付設さ
れている。アクティブ制振制御の中枢であるコンピュー
タ7が振動センサ6a・6bおよび変位センサ6cの出
力を読み込み、設定されたアルゴリズムに従ってフィー
ドフォワード制御およびフィードバック制御の演算処理
を行い、前記サーボアクチュエータ4を駆動してベース
テーブル1の振動を抑制する。
A vibration sensor 6a sensitive to vibration of the installation floor 3 directly below the base table 1 and a vibration sensor 6b sensitive to vibration of the base table 1 are additionally provided. Also,
A displacement sensor 6c for detecting displacement of a movable portion (piston or piston rod) of the servo actuator 4 is provided. The computer 7, which is the center of the active vibration suppression control, reads the outputs of the vibration sensors 6a and 6b and the displacement sensor 6c, performs arithmetic processing of feedforward control and feedback control according to a set algorithm, and drives the servo actuator 4 to drive the servo actuator 4. The vibration of the base table 1 is suppressed.
【0007】サーボアクチュエータ4の駆動力はベース
テーブル1に直接伝わるのではなく、結合バネ5を介し
て伝わる。結合バネ5はきわめて柔らかいバネであり
(弾性率がきわめて小さく、剛性率がきわめて小さ
い)、ベーステーブル1を支持する弾性マウント2のず
れ剛性率の約1万分の1程度の剛性率である。これによ
り、サーボアクチュエータ4をセンチメートル・オーダ
ーの大きな振幅で往復変位させても、ベーステーブル1
はミクロン・オーダー以下の振幅でしか変位しない。ま
た、アクチュエータ4が追従できない非常に高い振動数
の除振は、アクチュエータ4に取り付けられた結合バネ
5によって、パッシブ的に除振される。
[0007] The driving force of the servo actuator 4 is not transmitted directly to the base table 1 but transmitted through a coupling spring 5. The coupling spring 5 is a very soft spring (extremely small elastic modulus and extremely small rigidity), and has a rigidity of about 1 / 10,000 of the shear rigidity of the elastic mount 2 supporting the base table 1. Thus, even if the servo actuator 4 is reciprocated with a large amplitude on the order of centimeters, the base table 1
Can only be displaced with an amplitude on the order of microns or less. Vibration isolation of a very high frequency that cannot be followed by the actuator 4 is passively isolated by the coupling spring 5 attached to the actuator 4.
【0008】ここまで説明したベーステーブル1に付帯
するアクティブ制振機構の振動特性(除振性能)を数式
モデルを使って詳しく説明する。
The vibration characteristics (anti-vibration performance) of the active vibration suppression mechanism attached to the base table 1 described above will be described in detail using a mathematical model.
【0009】ベーステーブル1に設置床3の振動とアク
チュエータ4による制振力が作用したときの振動方程式
は数式1となる。
The vibration equation when the vibration of the installation floor 3 and the vibration damping force of the actuator 4 act on the base table 1 is expressed by the following equation (1).
【0010】[0010]
【数1】 これを絶対座標から見た応答(z+y)でまとめると数
式2となる。
(Equation 1) Equation 2 can be obtained by summing up the response (z + y) viewed from the absolute coordinates.
【0011】[0011]
【数2】 ここで簡単のためc=0とすると、絶対応答の数式2の
右辺外力項をアクチュエータ4の変位zで打ち消すため
には数式3を満たす必要がある。
(Equation 2) Here, assuming that c = 0 for simplicity, it is necessary to satisfy Expression 3 in order to cancel the external force term on the right side of Expression 2 of the absolute response with the displacement z of the actuator 4.
【0012】[0012]
【数3】 結合バネ5の剛性率Ksが弾性マウント2の剛性率Kの
1万分の1だとすると、設置床3の振動yの1万倍の動
きにアクチュエータ4のストロークを拡大して用いるこ
とが可能となる。この説明は床振動に対するフィードフ
ォワード制御(入力相殺)に関したものだが、ベーステ
ーブル1の動きを感知して制御するフィードバック制御
の場合も振幅(x+y)を拡大して制御することが可能
となる。ここでC’を制御減衰とし、
(Equation 3) Assuming that the rigidity Ks of the coupling spring 5 is 1/10000 of the rigidity K of the elastic mount 2, the stroke of the actuator 4 can be expanded and used for a movement of 10,000 times the vibration y of the installation floor 3. This description relates to the feedforward control (input offset) for the floor vibration. However, in the case of the feedback control in which the movement of the base table 1 is detected and controlled, the amplitude (x + y) can be controlled to be enlarged. Where C ′ is the control damping,
【数4】 数式4の特性をアクチュエータ4のストローク制御で実
現するためには、フィードバック項のみのストロークは
数式5となる。
(Equation 4) In order to realize the characteristic of Expression 4 by controlling the stroke of the actuator 4, the stroke of only the feedback term becomes Expression 5.
【0013】[0013]
【数5】 最終的に数式4を満たすアクチュエータ4のストローク
は数式3を加えて数式6となる。
(Equation 5) Finally, the stroke of the actuator 4 that satisfies Equation 4 becomes Equation 6 by adding Equation 3.
【0014】[0014]
【数6】 これらの数式も(k+ks)に対してksが小さいほ
ど、アクチュエータ4のストロークZが大きくなること
を示している。つまり、アクチュエータ4の大振幅作動
によりテーブル1の振動をミクロン・オーダー以下に制
御できる。
(Equation 6) These formulas also indicate that the smaller the ks with respect to (k + ks), the larger the stroke Z of the actuator 4. That is, the vibration of the table 1 can be controlled to a micron order or less by the large amplitude operation of the actuator 4.
【0015】さらに図1に示すように、この発明におい
ては、前記ベーステーブル1に精密機器11を直接載せ
るのではない。ベーステーブル1の上には積層ゴムある
いは空気バネなどの弾性マウント8を介して機器載置テ
ーブル9が搭載されている。このテーブル9の上に精密
機器11を載せる。機器載置テーブル9はベーステーブ
ル1より質量が小さく、弾性マウント8は前記弾性マウ
ント2より柔らかい特性である。また、ベーステーブル
1と機器載置テーブル9とをパッシブ制振機構としての
粘性ダンパー10で結合している。パッシブ制振機構と
しては粘性ダンパー10に限定されず、各種のダンパー
が使用可能である。このパッシブ制振機構により、ベー
ステーブル1に対する機器載置テーブル9の振動(とく
に100Hz以上の高い周波数成分)を吸収する。
Further, as shown in FIG. 1, in the present invention, the precision equipment 11 is not directly mounted on the base table 1. An equipment mounting table 9 is mounted on the base table 1 via an elastic mount 8 such as a laminated rubber or an air spring. The precision instrument 11 is placed on the table 9. The device mounting table 9 has a smaller mass than the base table 1, and the elastic mount 8 has characteristics of being softer than the elastic mount 2. Further, the base table 1 and the device mounting table 9 are connected by a viscous damper 10 as a passive vibration damping mechanism. The passive damping mechanism is not limited to the viscous damper 10, and various dampers can be used. The passive vibration damping mechanism absorbs vibration (particularly, high frequency components of 100 Hz or more) of the device mounting table 9 with respect to the base table 1.
【0016】なお図1に示すように、機器載置テーブル
9の振動に感応する振動センサ6dを設け、コンピュー
タ7がこのセンサ6dの出力情報を利用して前述のアク
ティブ制振制御を行うようにすれば、さらに良好な制振
効果が実現できる。
As shown in FIG. 1, a vibration sensor 6d responsive to the vibration of the device mounting table 9 is provided, and the computer 7 performs the above-described active vibration suppression control using the output information of the sensor 6d. Then, a better vibration damping effect can be realized.
【0017】[0017]
【発明の効果】この発明によれば、変位制御精度があま
り高くない油圧シリンダなどの大パワーのサーボアクチ
ュエータを用いてミクロン・オーダー以下までテーブル
の振動を抑制でき、質量の大きな電子顕微鏡などを載せ
る精密除振装置としてきわめて優れた除振性能を発揮す
る。またこの発明の精密除振装置では、アクティブ制振
機構によりベーステーブルの振動を抑制するのに加え
て、ベーステーブルの上に搭載されている機器載置テー
ブルの振動を両者間を結合するパッシブ制振機構で抑制
する。
According to the present invention, the vibration of the table can be suppressed to the micron order or less by using a large-power servo actuator such as a hydraulic cylinder, which has not so high displacement control accuracy, and an electron microscope having a large mass can be mounted. Exhibits extremely excellent vibration isolation performance as a precision vibration isolation device. Further, in the precision vibration isolator according to the present invention, in addition to suppressing the vibration of the base table by the active vibration damping mechanism, the vibration of the device mounting table mounted on the base table is passively controlled by coupling the vibration between the two. It is suppressed by the vibration mechanism.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】この発明の一実施例による精密除振装置の概略
構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a precision vibration isolation device according to an embodiment of the present invention.
【符号の説明】[Explanation of symbols]
1 テーブル 2 弾性マウント 3 設置床 4 サーボアクチュエータ 5 結合バネ 6a・6b・6d 振動センサ 6c 変位センサ 7 コンピュータ 8 弾性マウント 9 機器載置テーブル 10 粘性ダンパ(パッシブ制振機構) 11 精密機器 Reference Signs List 1 Table 2 Elastic mount 3 Installation floor 4 Servo actuator 5 Coupling spring 6a, 6b, 6d Vibration sensor 6c Displacement sensor 7 Computer 8 Elastic mount 9 Equipment mounting table 10 Viscous damper (passive vibration damping mechanism) 11 Precision equipment

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】(57) [Claims]
  1. 【請求項1】 設置床に対して弾性マウントを介して支
    持されたベーステーブルと、基端部が前記設置床に固定
    されたサーボアクチュエータと、前記弾性マウントより
    はるかに小さな弾性率であり、前記サーボアクチュエー
    タの先端部と前記ベーステーブルとを連結する結合バネ
    と、前記設置床の振動に感応する振動センサと、前記テ
    ーブルの振動に感応する振動センサと、前記サーボアク
    チュエータの可動部の変位を検出する変位センサと、こ
    れら3つのセンサの出力に応じて前記サーボアクチュエ
    ータを駆動して前記テーブルの振動を抑制するアクティ
    ブ制振制御手段と、前記メインテーブルに対して弾性マ
    ウントを介して支持された機器載置テーブルと、この機
    器載置テーブルと前記ベーステーブルとを結合するパッ
    シブ制振機構とを備えたことを特徴とする精密除振装
    置。
    A base table supported on an installation floor via an elastic mount; a servo actuator having a base end fixed to the installation floor; and an elastic modulus much smaller than the elastic mount; A coupling spring for connecting the tip of the servo actuator to the base table, a vibration sensor sensitive to the vibration of the installation floor, a vibration sensor sensitive to the vibration of the table, and detecting a displacement of a movable part of the servo actuator Displacement sensor, active vibration damping control means for driving the servo actuator in accordance with the outputs of these three sensors to suppress the vibration of the table, and equipment supported by the main table via an elastic mount. A mounting table, and a passive vibration damping mechanism for connecting the device mounting table and the base table. A precision anti-vibration device characterized by the following.
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記アクティブ制振
    制御手段は、前記機器載置テーブルの振動に感応する加
    速度センサの出力に応じて前記サーボアクチュエータを
    駆動する制御系も含んでいることを特徴とする精密除振
    装置。
    2. An apparatus according to claim 1, wherein said active vibration suppression control means further includes a control system for driving said servo actuator in accordance with an output of an acceleration sensor responsive to vibration of said device mounting table. Precision vibration isolator.
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