JP3286186B2 - Fine movement positioning control device - Google Patents

Fine movement positioning control device

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JP3286186B2
JP3286186B2 JP28591696A JP28591696A JP3286186B2 JP 3286186 B2 JP3286186 B2 JP 3286186B2 JP 28591696 A JP28591696 A JP 28591696A JP 28591696 A JP28591696 A JP 28591696A JP 3286186 B2 JP3286186 B2 JP 3286186B2
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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】本発明は、位置決め対象物を
所定の位置に所定の姿勢で位置決めする微動位置決め制
御装置に係わり、特に位置決め対象物の固有振動モード
の影響を排除し、かつ他軸との間の干渉をなくするか、
その干渉の影響を抑え、各軸ごとに独立に制御特性を設
定できるようにした微動位置決め制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fine positioning control device for positioning a positioning object at a predetermined position in a predetermined posture, and in particular, to eliminate the influence of the natural vibration mode of the positioning object and to control the position of another positioning axis. Eliminate the interference between
The present invention relates to a fine-movement positioning control device capable of suppressing the influence of the interference and independently setting control characteristics for each axis.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、精密加工、組立、調整などの分野
における位置決めに対しては、サブミクロンオーダーの
位置決め精度が要求されている。特に、微細パターンの
露光を目的とした超精密位置決めステージにおいては高
い駆動分解能と周波数応答の広帯域化を実現すべく、ア
クチュエータとしてリニアモータが使用されている。
2. Description of the Related Art In recent years, positioning accuracy in the submicron order has been required for positioning in fields such as precision machining, assembly, and adjustment. In particular, in an ultra-precision positioning stage for the purpose of exposing a fine pattern, a linear motor is used as an actuator in order to realize a high driving resolution and a wide frequency response.

【0003】図17は、鉛直z直進方向とx,y軸の回
りの回転方向の2自由度との計3自由度を位置決め制御
する従来の微動位置決め装置を示す。図中の1は位置決
めされる平板状の基板であり、ばね要素2a,2b,2
cにより弾性支持されている。3a,3b,3cは鉛直
方向に力を発生するアクチュエータであり、アクチュエ
ータへの指令4a,4b,4cによりアクチュエータを
駆動する電力増幅器4-1〜4-3が設けられている。アク
チュエータ近傍には基板1の鉛直方向の変位を計測する
位置センサ5a,5b,5cがあり、各センサの出力は
変位増幅器6-1〜6-3により電気信号6a,6b,6c
に変換される。これらをもって微動位置決め機構と呼ぶ
ことにする。また、アクチュエータ4aの指令から位置
センサの変位信号6aまでの入出力機構をz1 軸、同様
に4b−6b間をz2 軸、4c−6c間をz3 軸と呼
ぶ。
FIG. 17 shows a conventional fine-movement positioning apparatus for controlling the positioning of a total of three degrees of freedom, that is, two degrees of freedom in a vertical z-straight direction and a rotational direction about the x and y axes. In the figure, reference numeral 1 denotes a flat plate-shaped substrate to be positioned, which has spring elements 2a, 2b, 2
c elastically supported. Reference numerals 3a, 3b, and 3c denote actuators for generating forces in the vertical direction, and power amplifiers 4-1 to 4-3 for driving the actuators in accordance with commands 4a, 4b, and 4c to the actuators are provided. Position sensors 5a, 5b, and 5c for measuring the displacement of the substrate 1 in the vertical direction are provided near the actuator, and the outputs of the sensors are output from electrical signals 6a, 6b, and 6c by displacement amplifiers 6-1 to 6-3.
Is converted to These will be referred to as a fine movement positioning mechanism. Also, z 1 axis output mechanism from the command of the actuator 4a to displacement signal 6a of the position sensor, as well as z 2 axis between 4b-6b, the inter 4c-6c is referred to as z 3 axes.

【0004】さて、z1 軸に対して指令4aが付加され
たとする。この時の位置決め機構の応答はz1 軸の位置
センサ5aだけでなく、z2 軸およびz3 軸にも変位と
して現れる。同様にz2 軸またはz3 軸に入力を加えた
場合も全軸に応答が現れる。つまり他軸への干渉が存在
するわけである。ボード線図を用いて説明すると図18
〜図20のようになる。図中のzijとは、zj 軸入力時
のzi 軸の応答を示す。図18はz1 軸の入力に対する
1 〜z3 各軸の応答を示したものである。z1 軸出力
(z11)では二つのピークが認められる。この二つのピ
ークはzおよびωx 方向の振動モードである。z2 およ
びz3 軸応答(z21,z31)においてもほぼ同じ高さの
ピークが存在し、この二つの周波数域において動的に干
渉があることがわかる。図19および図20ではzとω
x の振動モードの間にωy の振動モードが認められ、
z,ωx ,ωy のモードの周波数域で干渉が存在してい
る。また、全ての入力軸において低周波域のゲインの対
角項と非対角項の差(例えばz11とz21の差およびz11
とz31の差)が少なく、静的にも干渉が存在することが
わかる。
[0004] Now, the instruction 4a is added to z 1 axis. Response of this time the positioning mechanism not only the position sensor 5a of z 1 axis appears as a displacement in z 2 axis and z 3 axes. Similarly, if you make inputs to the z 2 axis or z 3 axis appears in response to all axes. That is, there is interference with other axes. This will be described with reference to a Bode diagram.
20 to FIG. Z ij in the figure indicates the response of the z i axis when the z j axis is input. Figure 18 shows the response of z 1 to z 3 each axis with respect to the input of the z 1 axis. In z 1 axis output (z 11) is observed two peaks. These two peaks are vibration modes in the z and ω x directions. Also there is a peak at about the same height in the z 2 and z 3 axis response (z 21, z 31), it can be seen that there is a dynamic interference in the two frequency ranges. In FIGS. 19 and 20, z and ω
A vibration mode of ω y is recognized between vibration modes of x ,
Interference exists in the frequency range of the mode of z, ω x , ω y . In addition, the difference between the diagonal term and the off-diagonal term of the gain in the low frequency range (for example, the difference between z 11 and z 21 and z 11
The difference) is small in z 31, it can be seen that the interference is present in static.

【0005】このような系に対して従来は図17のよう
に各軸ごとに独立に制御系を構成していた。偏差増幅器
13a〜13cにより各軸の変位信号6a〜6cと各軸
の指令信号v1 〜v3 とが比較され、各軸の偏差信号e
1 〜e3 が生成される。この偏差信号をもとに各軸に設
けられた補償器12a〜12cにより各軸への入力信号
1 〜u3 が生成される。この入力信号u1 〜u3 は電
力増幅器4-1〜4-3に送られアクチュエータ3a〜3c
が駆動される。
Conventionally, as shown in FIG. 17, a control system for each axis is independently configured for such a system. A command signal v 1 to v 3 of the displacement signals 6a~6c and each axis of each axis are compared by the deviation amplifier 13 a to 13 c, the deviation signal e for each axis
1 to e 3 are generated. The input signal u 1 ~u 3 to each axis generated by the compensator 12a~12c provided for each axis deviation signal based. The input signals u 1 to u 3 are sent to power amplifiers 4-1 to 4-3 and are sent to actuators 3a to 3c.
Is driven.

【0006】図21〜図23は図17の従来例における
制御系の閉ループのボード線図である。図中のzijc
はzj 軸への指令信号vj からzi 軸の変位信号(6a
〜6cに対応)までの応答を示す。図21のz1 軸入力
からの各軸への応答は非対角項(z21c ,z31c )のゲ
インが対角項z11c より小さくなっており、この制御系
により干渉が抑えられている。これに対し、図22およ
び図23ではz2 軸とz3 軸のゲインがある周波数域か
らほとんど一致してしまっている。このような系で実際
に制御を行なうと、わずかな外乱により発振をおこすこ
とがある。
FIGS. 21 to 23 are Bode diagrams of the closed loop of the control system in the conventional example of FIG. Z ijc in the figure is a displacement signal (6a) of the z i axis from the command signal v j to the z j axis.
6c). Z 1 is the response to each axis from the axis input non diagonal terms (z 21c, z 31c) in FIG. 21 the gain of which is smaller than the diagonal terms z 11c, interference is suppressed by the control system . In contrast, we've almost match the frequency range where there is gain and z 3 axis z 2 axis in FIG. 22 and FIG. 23. When control is actually performed in such a system, oscillation may occur due to a slight disturbance.

【0007】図17の従来例においては、このように各
軸に独立に制御系を構成した場合、各軸間の干渉が大き
いと全軸同時に制御をかけたときに所望の位置決め精度
が達成されないばかりでなく、発振を起こす恐れがある
という問題があった。
In the conventional example shown in FIG. 17, when the control system is configured independently for each axis as described above, if the interference between the axes is large, the desired positioning accuracy cannot be achieved when all the axes are simultaneously controlled. In addition, there is a problem that oscillation may occur.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の従来
例における問題点に鑑みてなされたもので、位置決め対
象物の固有振動モードの影響を排除し、かつ他軸との間
の干渉をなくするか、干渉の影響を抑え、各軸ごとに独
立に制御特性を設定できるようにした微動位置決め制御
装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in the prior art, and eliminates the influence of the natural vibration mode of the positioning object and eliminates the interference with other axes. It is an object of the present invention to provide a fine movement positioning control device that eliminates or suppresses the influence of interference and enables control characteristics to be set independently for each axis.

【0009】[0009]

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】 上記課題を解決するため
本発明の微動位置決め制御装置は、直進運動方向1軸と
1軸直交しかつ互いに直交する直進方向2軸の各々
の回りの回転運動方向2軸の計3軸方向に運動可能に
弾性支持された位置決め対象物前記位置決め対象物
を駆動する少なくとも3個のアクチュエータと、前記位
置決め対象物の移動距離を計測する少なくとも3個の位
置センサと、前記各位置センサの出力を変位信号に変換
する変位増幅器と前記変位信号をそれぞれの変位信号
に対応する指令信号と比較して偏差信号を出力する偏差
増幅器と、前記偏差増幅器の各出力に対してそれぞれ独
立に補償を行なう補償器と、前記補償器の出力に対して
低周波ゲインの逆行列からなる補正行列をかけ指令入力
を生成する補正装置と、前記指令入力により前記アクチ
ュエータを駆動する電力増幅器とを備えることを特徴と
る。
Means for Solving the Problems] fine positioning control device of the present onset bright order to solve the above problems, a linear motion direction one axis
And said first orthogonal to the axis to and positioned object is <br/> elastically supported movement available-a total of three axial directions of the respective rotation about motion direction biaxial rectilinear direction two axes perpendicular to each other, the positioning Object
At least three actuators for driving the at least three position sensors for measuring the movement distance of the object to be positioned, wherein a displacement amplifier for converting an output of the position sensors in the displacement signal, respectively the displacement signal A deviation amplifier that outputs a deviation signal in comparison with a command signal corresponding to the displacement signal, a compensator that independently compensates for each output of the deviation amplifier, and a low-frequency gain for the output of the compensator. a correction device for generating a command input by correcting matrix of the inverse matrix of, you <br/>, comprising a power amplifier for driving the actuator by the command input.

【0011】[0011]

【0012】[0012]

【作用】記の制御系構成において、補正装置は静的な
干渉を抑制し、補正装置で抑制できない動的な干渉は各
軸ごとに設けられた補償器により抑制される。
[Action] In the control system configuration of the above SL, correction device suppresses static interference, dynamic interference that can not be suppressed by the correction device is suppressed by the compensator provided for each axis.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】一般的に、直進運動方向1軸とそ
の軸と直交する他の直進2軸の各々の回りの回転運動方
向2軸の計3軸方向に運動可能なように弾性支持された
位置決め対象物は、図3のようにモデル化される。位置
決め対象物の重心座標をxG ,yG 、各ばね要素の位置
座標をxi ,yi (i=1,2,3)、剛性値をki
(i=1,2,3)とする。3個のアクチュエータの位
置座標をxai,yai(i=1,2,3)、発生する力を
i (i=1,2,3)とする。位置決め対象物の質量
をm、x軸回りの慣性モーメントをIx 、y軸回りの慣
性モーメントをIy とする。この系のz,ωx ,ωy
向の運動方程式は、減衰項を0とすると
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In general, an elastic support is provided so as to be movable in a total of three axial directions, one axial direction of linear motion and two axial directions of rotation about each of two other linear axes orthogonal to the axis. The positioned object to be positioned is modeled as shown in FIG. The coordinates of the center of gravity of the positioning target are x G and y G , the position coordinates of each spring element are x i and y i (i = 1, 2, 3), and the rigidity value is k i
(I = 1, 2, 3). The position coordinates of the three actuators are x ai , y ai (i = 1, 2, 3), and the generated force is u i (i = 1, 2, 3). The mass of the positioning target is m, the moment of inertia around the x axis is I x , and the moment of inertia around the y axis is I y . The equations of motion in the z, ω x , and ω y directions of this system are given assuming that the damping term is 0.

【0014】[0014]

【数1】 となる。ここで(1)式を(Equation 1) Becomes Where equation (1) is

【0015】[0015]

【数2】 と表わす。(2)式に減衰項を付加すると(Equation 2) It is expressed as Adding the attenuation term to equation (2)

【0016】[0016]

【数3】 となる。Cの値が如何なるものであってもこれからの議
論において一般性を失わないので、詳細については省略
する。
(Equation 3) Becomes Regardless of the value of C, its generality will not be lost in the following discussion, so that the details are omitted.

【0017】[0017]

【数4】 である。Aのサイズは6×6、Bのサイズは6×3であ
る。
(Equation 4) It is. The size of A is 6 × 6, and the size of B is 6 × 3.

【0018】センサの位置座標をxsi,ysi(i=1,
2,3)、z方向の計測値をzi (i=1,2,3)と
すると、計測値ベクトルY=[z123T
(4)式のxを用いて
The position coordinates of the sensor are represented by x si , y si (i = 1,
2,3), assuming that the measured value in the z direction is z i (i = 1, 2, 3), the measured value vector Y = [z 1 z 2 z 3 ] T is obtained by using x in the equation (4).

【0019】[0019]

【数5】 となる。(4)、(5)式を合わせると各アクチュエー
タの入力uから、各センサの出力までの状態空間表現
(Equation 5) Becomes By combining equations (4) and (5), a state space expression from the input u of each actuator to the output of each sensor

【0020】[0020]

【数6】 を得る。(Equation 6) Get.

【0021】(6)式が可制御である必要十分条件はThe necessary and sufficient condition that the equation (6) is controllable is

【0022】[0022]

【数7】 である。(4)、(5)式から(Equation 7) It is. From equations (4) and (5)

【0023】[0023]

【数8】 となり、行列Fのランクが3であれば(8)式のランク
は6になり、(6)式は可制御となる。行列Fがフルラ
ンク3を持つということは、物理的に解釈するとアクチ
ュエータが同一直線上に存在しない、ということにな
る。すなわち、アクチュエータの配置が三角形を構成す
ればよい。
(Equation 8) If the rank of the matrix F is 3, the rank of the equation (8) becomes 6, and the equation (6) becomes controllable. The fact that the matrix F has the full rank 3 means that, when physically interpreted, the actuators do not exist on the same straight line. That is, the arrangement of the actuators may form a triangle.

【0024】(6)式が可観測である必要十分条件はThe necessary and sufficient condition that the equation (6) is observable is

【0025】[0025]

【数9】 である。(4)、(5)式から(Equation 9) It is. From equations (4) and (5)

【0026】[0026]

【数10】 となり、行列Sがフルランク3であれば(10)式のラ
ンクは6となり、可観測となる。このときの物理的な解
釈は、センサが同一直線上に存在しないことである。す
なわち、センサの配置が三角形を構成すればよい。以
下、(6)式は可制御かつ可観測である、すなわち行列
FおよびSはともに正則であるものとして説明する。
(Equation 10) If the matrix S has the full rank 3, the rank of the equation (10) is 6, which is observable. The physical interpretation at this time is that the sensors do not exist on the same straight line. That is, the arrangement of the sensors may form a triangle. Hereinafter, description will be made assuming that the expression (6) is controllable and observable, that is, both the matrices F and S are regular.

【0027】一般に、可制御であれば、正則変換行列Q
を用いて次式のような可制御正準形に変換することがで
きる。
In general, if controllable, the regular transformation matrix Q
Can be converted into a controllable canonical form as shown below.

【0028】[0028]

【数11】 正則変換行列Qを求める手順に従って、(6)式を可制
御正準形に変換する。先ず可制御行列[B AB ・・
・ An-1 B]において独立なベクトルを左から順にn
(=6)本取り出す。[B AB]のランクは6である
ので、ここまでで6本とれる。
[Equation 11] According to the procedure for obtaining the regular transformation matrix Q, the equation (6) is transformed into a controllable canonical form. First, the controllable matrix [B AB ···
・ A n-1 B], the independent vectors are sequentially numbered n from the left.
(= 6) Take out the book. Since the rank of [B AB] is 6, six lines can be obtained so far.

【0029】[0029]

【数12】 のように並べる。このときの[d123 ]=[2
2 2]は可制御指数と呼ぶ。Lの形は(4)式より
(Equation 12) Arrange as follows. At this time, [d 1 d 2 d 3 ] = [2
22] is called the controllable index. The shape of L is from equation (4)

【0030】[0030]

【数13】 となる。次にL-1を求め、可制御指数から2行、2行、
2行の3つのブロックに分け、各ブロックの最下行をq
1 ,q2 ,q3 とする。このとき(13)式から
(Equation 13) Becomes Next, L -1 is obtained, and two lines, two lines,
Divide into three blocks of two lines, and the bottom line of each block is q
1 , q 2 and q 3 . At this time, from equation (13)

【0031】[0031]

【数14】 となる。変換行列Qは[Equation 14] Becomes The transformation matrix Q is

【0032】[0032]

【数15】 となる。このQにより(11)式の可制御正準形が求め
られ、それぞれの形は
(Equation 15) Becomes From this Q, the controllable canonical form of equation (11) is obtained, and each form is

【0033】[0033]

【数16】 これらを用いると、(6)式の伝達行列表現T(s) =C
(sI−A)-1Bは次のように表わされる。
(Equation 16) Using these, the transfer matrix expression T (s) = C in equation (6)
(SI-A) -1 B is represented as follows.

【0034】[0034]

【数17】 となることがわかる。また、Bm は単位行列となる。よ
って(16)式は次式と等価となる。
[Equation 17] It turns out that it becomes. B m is a unit matrix. Therefore, equation (16) is equivalent to the following equation.

【0035】[0035]

【数18】 (18)式は既約分解表現T(s) =R(s) P-1(s) であ
る。すなわち
(Equation 18) Equation (18) is an irreducible decomposition expression T (s) = R (s) P -1 (s). Ie

【0036】[0036]

【数19】 ただしP(s) の対角項は2次のモニックの多項式、非対
角項は1次以下の多項式である(モニックとは最高次の
係数が1であることを言う)。
[Equation 19] However, the diagonal term of P (s) is a second-order monic polynomial, and the off-diagonal term is a first-order or lower polynomial (monic means that the highest order coefficient is 1).

【0037】さて、(6)式は可制御であるので状態フ
ィードバックにより任意に極配置ができる。また、
Since equation (6) is controllable, poles can be arbitrarily arranged by state feedback. Also,

【0038】[0038]

【数20】 であり、(20)式は正則であるので逆行列が存在す
る。
(Equation 20) Since the equation (20) is regular, an inverse matrix exists.

【0039】次のフィードバック制御則を考える。Consider the following feedback control law.

【0040】[0040]

【数21】 指定する閉ループの特性多項式pf(s)を(Equation 21) Specify the closed-loop characteristic polynomial p f (s)

【0041】[0041]

【数22】 (Equation 22)

【0042】[0042]

【数23】 (Equation 23)

【0043】[0043]

【数24】 とする。また、(Equation 24) And Also,

【0044】[0044]

【数25】 とすれば、閉ループ系の伝達行列は(Equation 25) Then the transfer matrix of the closed-loop system is

【0045】[0045]

【数26】 となり、閉ループ系は対角化すなわち非干渉化されるこ
とがわかる。
(Equation 26) It can be seen that the closed loop system is made diagonal, that is, decoupling.

【0046】よって、(22)、(23)式を満足する
ように状態フィードバック制御則(20)式を構成すれ
ば、位置決め対象の動特性を所望のものにすることがで
き、しかも他軸からの干渉をなくし、良好な位置決め制
御が達成される。
Therefore, if the state feedback control law (20) is configured so as to satisfy the expressions (22) and (23), the dynamic characteristics of the positioning target can be made desired, and further, from other axes. And good positioning control is achieved.

【0047】[0047]

【実施例および参考例】以下、図面を用いて本発明の実
施例および参考例を説明する。先ず、本発明を説明する
ための前提となる参考例について説明する。 [参考 例1 図1は本発明の第1の参考例に係る微動位置決め制御装
置を採用した半導体露光装置のウエハステージz−チル
ト機構制御系を示したものである。位置決め対象物であ
る基板1には図示しないウエハチャックが搭載される。
基板1は図示しないYステージ上のx方向に移動可能な
xステージ9上にラジアル静圧軸受2により支持されて
いる。このラジアル静圧軸受により基板1はxおよびy
軸方向には剛に支持され、z方向には自由に運動する。
また、静圧軸受の間隙により基板1はx軸およびy軸回
りの回転であるωx,ωy方向に運動可能である。3a〜
3cはリニアモータであり、電力増幅器4からの出力に
よりxステージ9と基板1との間に力を発生させる。ま
た、リニアモータ3a〜3c部には図示しない空気ばね
が設けられており、基板1の重力分を補償している。こ
の重力補償機構により、リニアモータが力を発生してい
ないときでも、基板1は平衡点に位置する。重力補償機
構を用いなければ、リニアモータは常に基板1の自重を
支えなければならず、大きな電流を要し発熱量も大きく
なり好ましくない。基板1はラジアル静圧軸受2と空気
ばねによりxステージ9上に弾性支持されていることに
なる。5a〜5cはリニアエンコーダを用いた変位セン
サであり、変位増幅器6によりxステージ9と基板1の
z方向の相対変位6a〜6cが得られる。7a〜7cは
加速度センサであり、加速度計アンプ8により各々の加
速度信号8a〜8cが得られる。入力4a−出力6a間
をz1軸、同様に4b−6b、4c−6c間をz2軸、z
3軸と呼ぶことにする。この系に対して状態フィードバ
ック制御系を構成するには、系の特性を数値化した制御
モデルが必要である。この系のような弾性支持された構
造に対してはバネマスモデルを作成し、(3)式の質量
行列Mと剛性行列Kおよび減衰行列Cを求め、最終的に
は(6)式の状態空間表現を求めるのが良い方法であ
る。質量行列Mは設計による計算値または測定値により
ほぼ正確に求めることができる。剛性行列Kは設計上の
ばねの剛性値とばねの配置から理論値として求めること
はできるが、誤差要因が大きく含まれる。また、減衰は
各運動モードのモーダル減衰率を入力するのが簡単であ
る。(6)式の入力Bおよび出力行列Cはリニアモータ
の推力定数、電力増幅器の定数、幾何学的配置、および
リニアエンコーダの特性、変位増幅器の定数、幾何学的
配置から定まる。これから制御モデルの公称値[A,
B,C]を求めることができる。前述したように、この
公称値には誤差が含まれているので実験値によりモデル
の合わせ込み(同定)を行う必要がある。これには多
くの方法があり、周波数応答やステップ応答などの時間
軸応答を測定し、同定を行なうのが一般的である。この
系ではばねの剛性値や配置を調整して同定を行なう。こ
のようにして作成した制御モデル(6)式をもとに制御
系を設計する。前述したようにアクチュエータおよび位
置センサの配置がそれぞれ三角形をなしていれば可制御
かつ可観測となっている。よって正則変換行列Qが求め
られ、可制御正準形(11)式へ変換される。これから
(16)式により伝達行列の既約分解表現T(s)=R
(s)P-1(s)が求められる。指定する閉ループの特
性多項式を(22)式のように定め、(23)、(2
4)式によりフィードバック行列Fbを求める。指定す
る閉ループは追従特性、減衰特性、定常特性を考慮して
定める。図1において、10は状態量抽出器でありz1
〜z3軸の各々の位置および速度項からなる状態量信号
10a〜10fを出力する。具体的にはz1〜z3軸の位
置信号である6a〜6cはフィルタは無しで出力し、加
速度信号8a〜8cは一回積分を行って出力する。11
はフィードバック回路でありフィードバック行列Fb
らなる。補償器12は(25)式を満たすゲイン行列G
からなる。Gは閉ループの伝達行列(26)式の低周波
ゲインが単位行列になるようにすると、定常位置偏差が
0となり(21)式の位置指令の規範入力vに対して偏
差無く追従する。
Embodiments and Reference Examples Hereinafter, embodiments and reference examples of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the present invention will be described.
A reference example serving as a premise for this will be described. [ First Embodiment] FIG. 1 shows a wafer stage z-tilt mechanism control system of a semiconductor exposure apparatus employing a fine movement positioning control device according to a first embodiment of the present invention. A wafer chuck (not shown) is mounted on the substrate 1, which is a positioning object.
The substrate 1 is supported by a radial static pressure bearing 2 on an x stage 9 that can move in the x direction on a Y stage (not shown). With this radial static pressure bearing, the substrate 1 is made of x and y
It is rigidly supported in the axial direction and moves freely in the z direction.
Further, the substrate 1 can move in the ω x and ω y directions, which are rotations around the x-axis and the y-axis, by the gap between the static pressure bearings. 3a ~
Reference numeral 3c denotes a linear motor, which generates a force between the x-stage 9 and the substrate 1 by an output from the power amplifier 4. An air spring (not shown) is provided in the linear motors 3a to 3c to compensate for the gravity of the substrate 1. With this gravity compensation mechanism, the substrate 1 is located at the equilibrium point even when the linear motor is not generating a force. If the gravity compensation mechanism is not used, the linear motor must always support the weight of the substrate 1, requiring a large current and increasing the heat generation, which is not preferable. The substrate 1 is elastically supported on the x stage 9 by the radial static pressure bearing 2 and the air spring. Reference numerals 5a to 5c denote displacement sensors using linear encoders, and relative displacements 6a to 6c of the x stage 9 and the substrate 1 in the z direction are obtained by the displacement amplifier 6. 7a to 7c are acceleration sensors from which acceleration signals 8a to 8c are obtained by the accelerometer amplifier 8. Z 1 axis between input 4a and output 6a, z 2 axis between 4b-6b and 4c-6c, z
I will call it three axes. To construct a state feedback control system for this system, a control model in which the characteristics of the system are quantified is required. A spring-mass model is created for an elastically supported structure such as this system, and a mass matrix M, a stiffness matrix K, and a damping matrix C in equation (3) are obtained. A good way is to find a spatial representation. The mass matrix M can be obtained almost accurately by calculation or measurement by design. The stiffness matrix K can be obtained as a theoretical value from the design stiffness value of the spring and the arrangement of the springs, but includes a large number of error factors. For the attenuation, it is easy to input the modal attenuation rate of each motion mode. The input B and the output matrix C of the equation (6) are determined from the thrust constant of the linear motor, the constant of the power amplifier, the geometric arrangement, the characteristics of the linear encoder, the constant of the displacement amplifier, and the geometric arrangement. From now on, the nominal value of the control model [A,
B, C]. As described above, this nominal value is model narrowing combined in the (identification) of the row of cormorants required by experimental values because it contains errors. There are many methods for this, and it is common to measure and identify a time axis response such as a frequency response or a step response. In this system, identification is performed by adjusting the rigidity value and arrangement of the spring. A control system is designed based on the control model (6) thus created. As described above, if the arrangement of the actuator and the position sensor form a triangle, it is controllable and observable. Therefore, a regular transformation matrix Q is obtained, and is transformed into a controllable canonical form (11). From equation (16), the irreducible decomposition expression of the transfer matrix T (s) = R
(S) P -1 (s) is determined. The characteristic polynomial of the closed loop to be specified is determined as in equation (22), and (23), (2)
4) The feedback matrix Fb is obtained by the equation (4). The specified closed loop is determined in consideration of the following characteristic, the attenuation characteristic, and the steady characteristic. In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a state quantity extractor, z 1
And outputs a state quantity signal 10a~10f consisting position and velocity section of each of the to z 3 axes. Specifically a position signal z 1 to z 3 axes 6a~6c filter outputs with no acceleration signal 8a~8c outputs performed once integration. 11
Consists of is a feedback matrix F b feedback circuit. The compensator 12 calculates the gain matrix G satisfying the expression (25).
Consists of G is such that when the low-frequency gain of the closed-loop transfer matrix equation (26) is a unit matrix, the steady-state position error becomes 0 and follows the position command reference input v of equation (21) without deviation.

【0048】[参考例2 上記参考例1では状態量の速度項を求めるのに加速度セ
ンサを使用した。しかし、位置、速度からなる状態量を
求めるのはこの手法には限らない。位置、速度、加速度
の間の関係は時間微分、時間積分であるから、このうち
の一つが検出できれば状態量すなわち位置、速度は求め
られる。また、コストの面からも使用するセンサは数が
少ない方が好ましい。この参考例2は使用するセンサを
位置センサのみとしたものである。速度は位置の時間微
分であると言っても、実際に位置情報を微分するのは好
ましくない。微分とは定義から言えば未来値を用いるも
のであり、実際には実現不可能である。疑似的に後退差
分を用いても観測ノイズの影響が大きくなってしまい、
値の信頼性はない。そこで状態観測器(オブザーバ)を
用いて状態フィードバックを行なう。また、推定する状
態量は必ずしも位置、速度の物理量そのものでなくても
構わず、制御系においてそれと等価なものであればよ
い。制御モデル(6)式を等価変換したあとのモデルに
制御系を構成してもよいのである。すなわち、状態量x
の推定値をフィードバックするのである。ここでは低次
元オブザーバを用いた周波数領域の制御系設計方法を用
いる。
[0048] [Reference Example 2] Using the acceleration sensor to determine the speed terms of Reference Example 1, the state quantity. However, obtaining a state quantity including a position and a speed is not limited to this method. Since the relationship among the position, velocity, and acceleration is time differentiation and time integration, if one of them can be detected, the state quantity, that is, the position and velocity, can be obtained. Also, from the viewpoint of cost, it is preferable that the number of sensors used is small. The reference example 2 uses only a position sensor as a sensor. Even though the speed is a time derivative of the position, it is not preferable to actually differentiate the position information. Derivatives, by definition, use future values and are not feasible in practice. Even if the backward difference is used in a simulated manner, the effect of observation noise increases,
The value is not reliable. Therefore, state feedback is performed using a state observer (observer). Further, the state quantity to be estimated does not necessarily have to be the physical quantity of the position and the speed, but may be any equivalent to the physical quantity in the control system. The control system may be configured in a model obtained by equivalently converting the control model (6). That is, the state quantity x
Is fed back. Here, a control system design method in the frequency domain using a low-dimensional observer is used.

【0049】制御モデル(6)式から参考例1と同様に
して伝達行列の既約分解表現T(s)=R(s)P
-1(s)を求める。(6)式の可観測正準形を求めると
きに定まる可観測指数は、可制御指数を求めたときと同
様にして、[2 2 2]となる。さらにこの最大値2
を可観測指数νと呼ぶ。今、q(s)をν−1次のモニ
ック安定多項式としてQ(s)を
From the control model (6), an irreducible decomposition expression T (s) = R (s) P of the transfer matrix in the same manner as in Reference Example 1.
-1 (s) is obtained. The observable index determined when obtaining the observable canonical form of equation (6) is [2 2 2] in the same manner as when obtaining the controllable index. Furthermore, this maximum value 2
Is referred to as an observable index ν. Now, let q (s) be a ν-1 order monic stable polynomial and Q (s)

【0050】[0050]

【数27】 とする。det Q(s) の零点の物理的な意味は低次元オブ
ザーバの極である。(22)式を満たすPF (s) を用い
た次の多項式行列方程式
[Equation 27] And The physical meaning of the zero of det Q (s) is the pole of the low-dimensional observer. The following polynomial matrix equation using P F (s) that satisfies equation (22)

【0051】[0051]

【数28】 の、行次数が高々ν−2の3×3多項式行列解K(s) と
行次数が高々ν−1の3×3多項式行列解H(s) を求め
る。これらを用いた次の制御則
[Equation 28] , A 3 × 3 polynomial matrix solution K (s) having a row order of at most ν-2 and a 3 × 3 polynomial matrix solution H (s) having a row order of at most ν-1 are obtained. The next control law using these

【0052】[0052]

【数29】 を用いる。この時(28)式より(Equation 29) Is used. At this time, from equation (28)

【0053】[0053]

【数30】 一方(29)式より[Equation 30] On the other hand, from equation (29)

【0054】[0054]

【数31】 (30)、(31)式より(Equation 31) From equations (30) and (31)

【0055】[0055]

【数32】 となる。Q(s)は安定、PF(s)は対角であるの
で、Gを(25)式とすれば(19)式から閉ループの
伝達行列は(26)式となる。図2は参考例2のブロッ
ク線図を示したものである。図中の点線で囲まれた部分
が状態量抽出回路およびフィードバック回路に相当す
る。
(Equation 32) Becomes Since Q (s) is stable and P F (s) is diagonal, if G is given by equation (25), the closed-loop transfer matrix becomes equation (26) from equation (19). Figure 2 shows a block diagram of Reference Example 2. Portions surrounded by dotted lines in the figure correspond to the state quantity extraction circuit and the feedback circuit.

【0056】以上説明したように、参考例1および参考
例2の制御系を構成すれば位置決め機構の動特性を所望
のものにできると同時に、各軸間の干渉を完全になくす
ことができ、良好な位置決め制御が達成される。
[0056] As described above, at the same time the dynamic characteristic of the positioning mechanism be constructed of a control system of Reference Example 1 and Reference <br/> Example 2 can be the desired one, completely eliminating the interference between the axes And good positioning control is achieved.

【0057】実施例1] 図4は本発明の一実施例に係る微動位置決め制御装置を
採用した半導体露光装置のウエハステージz−チルト機
構制御系を示したものである。位置決め対象物である基
板1には図示しないウエハチャックが搭載されている。
基板1は図示しないYステージ上をx方向に移動可能な
xステージ9上にラジアル静圧軸受2により支持されて
いる。このラジアル静圧軸受により基板1はxおよびy
方向には剛に支持され、z方向には自由に運動できる。
また、静圧軸受の間隙により基板1はx軸およびy軸回
りの回転であるωx,ωy方向に運動可能である。3a〜
3cはリニアモータであり、電力増幅器4-1〜4-3から
の出力によりxステージ9と基板1の間に力を発生させ
る。また、リニアモータ3a〜3c部には図示しない空
気ばねが設けられており、基板1の重力分を補償してい
る。この重力補償機構により、リニアモータが力を発生
していないときでも、基板1は平衡点に位置する。重力
補償機構を用いなければ、リニアモータは常に基板1の
自重を支えなければならず、大きな電流を要し発熱量も
大きくなり好ましくない。基板1はラジアル静圧軸受2
と空気ばねによりxステージ9上に弾性支持されている
ことになる。5a〜5cはリニアエンコーダを用いた変
位センサであり、変位増幅器6-1〜6-3によりxステー
ジ9と基板1のz方向の相対変位6a〜6cが得られ
る。入力4a−出力6a間をz1軸、同様に4b−6
b、4c−6c間をz2軸、z3軸と呼ぶことにする。こ
の構造は図3のようなマス要素一つ、ばね要素三つのバ
ネマスモデルで表わすことができる。位置決め対象物で
ある基板1をマス要素とし、その重心座標をxG,yG
する。各ばね要素の位置座標をxi,yi(i=1,2,
3)、剛性値をki(i=1,2,3)とする。アクチ
ュエータのリニアモータ3a〜3cの位置座標をxai
ai(i=1,2,3)、発生する力をui(i=1,
2,3)とする。位置決め対象物の質量をm、x軸回り
の慣性モーメントをIyとする。この系のz,ωx,ωy
方向の運動方程式は減衰項を0とすると、前記(1)〜
(4)式が得られる。(4)式において、Aのサイズは
6×6、Bのサイズは6×3である。Kはばね定数の全
てが0でなければ正定となり、また、エルミート行列で
もあるので正則である。ここでは、ばね定数を非零とす
る、すなわちKは正則であるとする。
[ Embodiment 1] FIG. 4 shows a wafer stage z-tilt mechanism control system of a semiconductor exposure apparatus employing a fine movement positioning control apparatus according to an embodiment of the present invention. A wafer chuck (not shown) is mounted on the substrate 1, which is an object to be positioned.
The substrate 1 is supported by a radial static pressure bearing 2 on an x stage 9 that can move in the x direction on a Y stage (not shown). With this radial static pressure bearing, the substrate 1 is made of x and y
It is rigidly supported in the direction and can move freely in the z direction.
Further, the substrate 1 can move in the ω x and ω y directions, which are rotations around the x-axis and the y-axis, by the gap between the static pressure bearings. 3a ~
Reference numeral 3c denotes a linear motor, which generates a force between the x stage 9 and the substrate 1 based on outputs from the power amplifiers 4-1 to 4-3. An air spring (not shown) is provided in the linear motors 3a to 3c to compensate for the gravity of the substrate 1. With this gravity compensation mechanism, the substrate 1 is located at the equilibrium point even when the linear motor is not generating a force. If the gravity compensation mechanism is not used, the linear motor must always support the weight of the substrate 1, requiring a large current and increasing the heat generation, which is not preferable. The substrate 1 is a radial hydrostatic bearing 2
And the air spring elastically supports the x stage 9. Reference numerals 5a to 5c denote displacement sensors using linear encoders, and relative displacements 6a to 6c in the z direction of the x stage 9 and the substrate 1 are obtained by displacement amplifiers 6-1 to 6-3. Input 4a- outputs 6a between the z 1 axis, similarly 4b-6
b, and between 4c-6c it will be referred to as a z 2 axis, z 3 axes. This structure can be represented by a spring mass model having one mass element and three spring elements as shown in FIG. The substrate 1 is positioned the object as a mass element and the center of gravity coordinates x G, and y G. The position coordinates of each spring element are defined as x i , y i (i = 1, 2,
3), and the stiffness value is k i (i = 1, 2, 3). The position coordinates of the linear motors 3a to 3c of the actuator are x ai ,
y ai (i = 1,2,3), the force generated u i (i = 1,
2, 3). The mass of the object to be positioned m, the moment of inertia about the x-axis and I y. Z, ω x , ω y of this system
Assuming that the damping term is 0 in the equation of motion in the direction, the above (1) to
Equation (4) is obtained. In the equation (4), the size of A is 6 × 6, and the size of B is 6 × 3. K is positive definite unless all of the spring constants are 0, and is also regular since it is also a Hermitian matrix. Here, it is assumed that the spring constant is non-zero, that is, K is regular.

【0058】位置センサであるリニアエンコーダ5a〜
5cの位置座標をxsi,ysi(i=1,2,3)、z方
向の計測値をzi (i=1,2,3)とすると、計測値
ベクトルY=[z123T は(4)式のxを用い
て(5)式のようになる。(4)、(5)式を合わせる
と各アクチュエータの入力uから、各センサの出力まで
の状態空間表現
[0058] Linear encoders 5a to 5
Assuming that the position coordinate of 5c is x si , y si (i = 1, 2, 3) and the measured value in the z direction is z i (i = 1, 2, 3), the measured value vector Y = [z 1 z 2 z 3 ] T is expressed by equation (5) using x in equation (4). By combining equations (4) and (5), a state space expression from the input u of each actuator to the output of each sensor

【0059】[0059]

【数33】 を得る。質量行列Mは設計上の計算値や実験値などによ
りほぼ正確に求めることができる。行列FとSはアクチ
ュエータおよびセンサの特性、位置の情報から正確に求
めることができる。剛性行列Kおよび減衰行列Cは設計
値から求めることができる。これらの値から制御モデル
の公称値[A,B,C]を算出することができる。しか
し、設計値から求めた剛性行列や減衰行列には誤差が多
く含まれるので、実験値を用いて制御モデル[A,B,
C]の合わせ込み(同定)をする必要がある。これには
多くの手法があり、周波数応答や時間軸応答から同定を
行なうのが一般的である。さて、(33)式を伝達行列
表現にすると
[Equation 33] Get. The mass matrix M can be obtained almost exactly from design calculated values and experimental values. The matrices F and S can be accurately obtained from the information on the characteristics and positions of the actuator and the sensor. The stiffness matrix K and the damping matrix C can be obtained from design values. From these values, the nominal value [A, B, C] of the control model can be calculated. However, since the stiffness matrix and the damping matrix obtained from the design values contain many errors, the control models [A, B,
C] must be matched (identified). There are many methods for this, and identification is generally performed from the frequency response or the time axis response. Now, if equation (33) is expressed as a transfer matrix,

【0060】[0060]

【数34】 となる。低周波ゲインG0 はsを0とすればよいから(Equation 34) Becomes The low frequency gain G 0 can be obtained by setting s to 0.

【0061】[0061]

【数35】 である。ここで行列Aの逆行列の存在を考える。Aは
(4)式で表わされるので
(Equation 35) It is. Here, the existence of the inverse matrix of the matrix A is considered. Since A is expressed by equation (4),

【0062】[0062]

【数36】 となり、Kを正則と仮定したので(36)式のA-1は存
在する。(35)式は(36)式を用いると
[Equation 36] Since K is assumed to be regular, A -1 in the equation (36) exists. Expression (35) is obtained by using expression (36).

【0063】[0063]

【数37】 となる。次に行列FおよびSの正則性を考える。行列F
は(1)式から、アクチュエータの配置が同一直線上に
なければ正則になる。同様に行列Sは(5)式からセン
サの配置が同一直線上になければ正則になる。これらの
条件は実は(6)式の可制御性、および可観測性の必要
十分条件でもある。ここでは行列F,Sは共に正則と仮
定する。この時(37)式は正則となり逆行列
(37) Becomes Next, consider the regularity of the matrices F and S. Matrix F
Is regular from Equation (1) unless the actuators are arranged on the same straight line. Similarly, the matrix S is regular if the arrangement of the sensors is not on the same straight line from the equation (5). These conditions are also the necessary and sufficient conditions for controllability and observability of the equation (6). Here, it is assumed that the matrices F and S are both regular. At this time, equation (37) becomes regular and the inverse matrix

【0064】[0064]

【数38】 が存在する。(38)式で表わされる補正装置14を用
いて図5の補正系を作成する。この補正系の開ループの
ボード線図は図6〜8のようになる(補正前の特性は図
18〜20で示したものと同じである)。図6はz1
の入力、図7はz2 軸の入力、図8はz3 軸の入力の際
の、それぞれの軸の応答を示したものである。
(38) Exists. The correction system shown in FIG. 5 is created using the correction device 14 expressed by the equation (38). The Bode diagrams of the open loop of this correction system are as shown in FIGS. 6 to 8 (the characteristics before correction are the same as those shown in FIGS. 18 to 20). 6 z 1 axis input, 7 z 2 axis input, 8 upon input of z 3 axis shows the response of each axis.

【0065】図6〜8を参照すると、補正系は低周波域
における非干渉化を狙ったものなので低周波域はそのと
おり非対角項のゲインが下がっている。しかし、z,ω
x,ωyのモードの動的な干渉はとれていない。また、z
2軸、z3軸間の干渉は動的干渉モードより高い周波数域
でもゲインの差が大きくなる効果が得られる。これはz
2軸、z3軸間の、高周波域でのゲインと位相の関係が低
周波域とほぼ同じであることに起因する。すなわち、
(38)式を用いた補正装置により、動的干渉の限られ
た周波数域以外の領域での干渉を抑えることができるの
である。この補正系に対して、図4のように各軸ごとに
補償器を設けた制御系を構成する。偏差増幅器13a〜
13cにより各軸の変位信号6a〜6cと各軸の指令信
号v1〜v3と比較され各軸の偏差信号e1〜e3が生成さ
れる。この偏差信号をもとに各軸に設けられた補償器1
2a〜12cにより各軸への入力信号u1〜u3が生成さ
れる。この入力信号u1〜u3は補正装置14により補正
入力信号uc1〜uc3となり、電力増幅器4-1〜4-3に送
られアクチュエータであるリニアモータが駆動される。
この時の指令信号から変位信号へ至る閉ループのボード
線図は図9〜11のようになる。z2軸とz3軸の間は、
図10中のz22cとz 32cおよび図11中のz23cとz33c
のゲイン線図が離れていることから、干渉が抑えられて
いることがわかる。図9ではz11cとz21cおよびz31c
のゲイン線図がかなり近づいてはいるが、問題となるレ
ベルではない。このように、本実施例による制御系を構
成すれば、各軸間の干渉を抑え、良好な位置決め制御が
達成される。
Referring to FIGS. 6 to 8, since the correction system aims at decoupling in the low frequency range, the gain of the non-diagonal term is lowered in the low frequency range. However, z, ω
x, dynamic interference of the mode of ω y is not achieved. Also, z
2-axis, interference between z 3 axes effect is obtained that the difference in the gain is greater at higher frequency range than the dynamic interference mode. This is z
Between the two axes, z 3 axes, the relationship between the gain and phase in the high frequency range is due to be nearly the same as the low frequency range. That is,
With the correction device using the equation (38), it is possible to suppress the interference in a region other than the limited frequency region of the dynamic interference. For this correction system, a control system having a compensator provided for each axis as shown in FIG. 4 is configured. Deviation amplifier 13a ~
Deviation signal e 1 to e 3 for each axis are compared with the command signal v 1 to v 3 of the displacement signals 6a~6c and each axis of each axis is generated by 13c. A compensator 1 provided on each axis based on the deviation signal
Input signals u 1 to u 3 to each axis are generated by 2a to 12c. The input signal u 1 ~u 3 is corrected input signal u c1 ~u c3 becomes the correction device 14, the linear motor is an actuator is transmitted to the power amplifier 4-1 to 4-3 are driven.
The Bode diagrams of the closed loop from the command signal to the displacement signal at this time are as shown in FIGS. During the z 2 axis and z 3 axes,
Z 23c and z 33c in z 22c and z 32 c and 11 in FIG. 10
It can be seen that interference is suppressed since the gain diagrams of FIG. Figure 9, z 11c and z 21c and z 31 c
Although the gain diagram is quite close, it is not a problematic level. As described above, when the control system according to the present embodiment is configured, interference between the axes is suppressed, and excellent positioning control is achieved.

【0066】実施例2] 実施例ではz1〜z3のすべての軸について補正を行な
った。しかし、図9のように効果が少ない場合もある。
もともとz1軸とz2および3軸との干渉が少なかっ
たためである。そこで、干渉の強いz2軸−z3軸間のみ
について補正を行なう。図12は実施例を示したもの
であり、図13は実施例における補正系の概念を示し
たものである。補正装置14はz2軸とz3軸の低周波ゲ
イン((35)式のG0の2,3行目、2,3列目を取
り出したものである)の逆行列で構成されている。補償
器12aで生成される入力信号u1は補正装置14を経
ずに直接電力増幅器4-1に印加される。補償器12b,
14cで生成される入力信号u2,u3は補正装置14を
経て補正入力信号uc2,uc3となり電力増幅器4-2,4
-3に印加される。この時の閉ループのボード線図は図1
4〜16のようになり、非対角項のゲインが大きく下が
り、干渉が抑えられていることがわかる。このように、
本実施例の補正装置は全軸に対して行なうのではなく、
干渉の強い軸間のみに適用しても良いのである。
[0066] was performed correction for all axes of Example 2 In Example 1, z 1 to z 3. However, there are cases where the effect is small as shown in FIG.
This is because originally had less interference with the z 1 axis and z 2 axis and z 3 axes. Therefore, corrects only for strong inter-z 2 axis -z 3-axis interference. FIG. 12 shows the second embodiment, and FIG. 13 shows the concept of the correction system in the second embodiment. The correction device 14 is constituted by an inverse matrix of the low frequency gains of the z 2 axis and the z 3 axis (the second and third rows and the second and third columns of G 0 in the equation (35) are extracted). . Input signals u 1 generated by the compensator 12a is applied directly to the power amplifier 4-1 without going through a correction device 14. Compensator 12b,
Input signal u 2 generated by 14c, u 3 is the correction device 14 through to the correction input signal u c2, u c3 next power amplifier 4-2,4
Applied to -3. The Bode diagram of the closed loop at this time is shown in FIG.
4 to 16, it can be seen that the gain of the off-diagonal term is greatly reduced and interference is suppressed. in this way,
The correction device of the present embodiment is not performed for all axes,
The present invention may be applied only between axes having strong interference.

【0067】実施例またはの制御系構成によれば、
低周波ゲインの逆行列からなる補正装置を設けるという
簡単な構成により静的な干渉を抑制でき、各軸毎に設け
られた補償器により動的な干渉を抑制できるので、良好
な位置決め制御が達成される。
According to the control system configuration of the first or second embodiment,
Good positioning control is achieved because static interference can be suppressed by a simple configuration of a correction device consisting of an inverse matrix of low-frequency gain, and dynamic interference can be suppressed by a compensator provided for each axis. Is done.

【0068】[0068]

【0069】[0069]

【発明の効果】 以上説明したように 、本発明の制御系構
成によれば、低周波ゲインの逆行列からなる補正装置
設けるという簡単な構成により静的な干渉を抑制でき、
各軸毎に設けられた補償器により動的な干渉を抑制でき
るので、良好な位置決め制御が達成される。
As described in the foregoing, according to the control system configuration of the present invention, it is possible to suppress the static interference by a simple structure only provided a correction device consisting of a inverse matrix of the low-frequency gain,
Since dynamic interference can be suppressed by the compensator provided for each axis, good positioning control is achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の第1の参考例に係るz−チルト微動
位置決め制御系の構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a z-tilt fine movement positioning control system according to a first reference example of the present invention.

【図2】 本発明の第2の参考例に係る制御系のブロッ
ク線図である。
FIG. 2 is a block diagram of a control system according to a second reference example of the present invention.

【図3】 図1のブロック図における位置決め機構部の
力学的モデルを示す線図である。
FIG. 3 is a diagram showing a dynamic model of a positioning mechanism in the block diagram of FIG. 1;

【図4】 本発明の第の実施例に係るz−チルト微動
位置決め制御系の構成を示すブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a z-tilt fine movement positioning control system according to the first example of the present invention.

【図5】 第の実施例中の補正系の概念を示すブロッ
ク線図である。
FIG. 5 is a block diagram showing the concept of a correction system in the first embodiment.

【図6】 第の実施例中の補正系の開ループのボード
線図である。
FIG. 6 is a Bode diagram of an open loop of the correction system in the first embodiment.

【図7】 第の実施例中の補正系の開ループのボード
線図である。
FIG. 7 is a Bode diagram of an open loop of the correction system in the first embodiment.

【図8】 第の実施例中の補正系の開ループのボード
線図である。
FIG. 8 is a Bode diagram of an open loop of the correction system in the first embodiment.

【図9】 第の実施例中の制御系閉ループのボード線
図である。
FIG. 9 is a Bode diagram of a control system closed loop in the first embodiment.

【図10】 第の実施例中の制御系閉ループのボード
線図である。
FIG. 10 is a Bode diagram of a control system closed loop in the first embodiment.

【図11】 第の実施例中の制御系閉ループのボード
線図である。
FIG. 11 is a Bode diagram of a control system closed loop in the first embodiment.

【図12】 本発明の第の実施例に係るz−チルト微
動位置決め制御系の構成を示すブロック図である。
FIG. 12 is a block diagram illustrating a configuration of a z-tilt fine movement positioning control system according to a second embodiment of the present invention.

【図13】 第の実施例中の補正系の概念を示すブロ
ック線図である。
FIG. 13 is a block diagram showing the concept of a correction system in the second embodiment.

【図14】 第の実施例中の制御系閉ループのボード
線図である。
FIG. 14 is a Bode diagram of a control system closed loop in the second embodiment.

【図15】 第の実施例中の制御系閉ループのボード
線図である。
FIG. 15 is a Bode diagram of a control system closed loop in the second embodiment.

【図16】 第の実施例中の制御系閉ループのボード
線図である。
FIG. 16 is a Bode diagram of a control system closed loop in the second embodiment.

【図17】 従来の位置決め制御系の構成を示すブロッ
ク図である。
FIG. 17 is a block diagram showing a configuration of a conventional positioning control system.

【図18】 図17の微動位置決め機構の開ループのボ
ード線図である。
FIG. 18 is a Bode diagram of an open loop of the fine movement positioning mechanism of FIG. 17;

【図19】 図17の微動位置決め機構の開ループのボ
ード線図である。
FIG. 19 is a Bode diagram of an open loop of the fine positioning mechanism of FIG. 17;

【図20】 図17の微動位置決め機構の開ループのボ
ード線図である。
20 is a Bode diagram of an open loop of the fine movement positioning mechanism of FIG. 17;

【図21】 図17の位置決め制御系の閉ループのボー
ド線図である。
FIG. 21 is a Bode diagram of a closed loop of the positioning control system of FIG. 17;

【図22】 図17の位置決め制御系の閉ループのボー
ド線図である。
FIG. 22 is a Bode diagram of a closed loop of the positioning control system of FIG. 17;

【図23】 図17の位置決め制御系の閉ループのボー
ド線図である。
FIG. 23 is a Bode diagram of a closed loop of the positioning control system of FIG. 17;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:基板、2:ラジアル静圧軸受、3a〜3c:リニア
モータ、4,4-1〜4-3:電力増幅器、5a〜5c:変
位センサ、6,6-1〜6-3:変位増幅器、7a〜7c:
加速度センサ、8:加速度計アンプ、9:xステージ、
10:状態量抽出器、10a〜10f:状態量信号、1
1:フィードバック回路、12,12a〜12c:補償
器、13a〜13c:偏差増幅器、14:補正装置。
1: substrate, 2: radial static pressure bearing, 3a to 3c: linear motor, 4, 4-1 to 4-3: power amplifier, 5a to 5c: displacement sensor, 6, 6-1 to 6-3: displacement amplifier , 7a-7c:
Acceleration sensor, 8: accelerometer amplifier, 9: x stage,
10: state quantity extractor, 10a to 10f: state quantity signal, 1
1: feedback circuit, 12, 12a to 12c: compensator, 13a to 13c: deviation amplifier, 14: correction device.

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05D 3/00 - 3/20 G05B 11/00 - 13/04 H01L 21/68 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G05D 3/00-3/20 G05B 11/00-13/04 H01L 21/68

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 直進運動方向1軸と該1軸に直交しかつ
互いに直交する直進方向2軸の各々の回りの回転運動方
向2軸との計3軸方向に運動可能に弾性支持された位置
決め対象物と、 前記位置決め対象物を駆動する少なくとも3個のアクチ
ュエータと、 前記位置決め対象物の移動距離を計測する少なくとも3
個の位置センサと、 前記各位置センサの出力を変位信号に変換する変位増幅
器と、 前記電気変位信号をそれぞれの変位信号に対応する指令
信号と比較して偏差信号を出力する偏差増幅器と、 前記偏差増幅器の各出力に対してそれぞれの独立に補償
を行なう補償器と、 前記補償器の出力に対して低周波ゲインの逆行列からな
る補正行列をかけ指令入力を生成する補正装置と、 前記指令入力により前記アクチュエータを駆動する電力
幅器とを備えることを特徴とする微動位置決め制御装
置。
1. A position which is elastically supported so as to be movable in a total of three axial directions of one linear movement direction and two rotational movement directions about two linear movement directions orthogonal to each other and orthogonal to each other. An object; at least three actuators for driving the positioning object; and at least three actuators for measuring a moving distance of the positioning object
Position sensors, a displacement amplifier that converts an output of each of the position sensors into a displacement signal, a deviation amplifier that compares the electric displacement signal with a command signal corresponding to each displacement signal and outputs a deviation signal, A compensator that independently compensates for each output of the deviation amplifier; a correction device that multiplies the output of the compensator by a correction matrix composed of an inverse matrix of a low-frequency gain to generate a command input; Power to drive the actuator by input
Fine positioning control device, characterized in that it comprises a the amplifier.
【請求項2】 前記補正装置は干渉の強い軸間のみにつ2. The correction device according to claim 1, wherein only the axis having strong interference is provided.
いて前記補償器出力の補正を行なう請求項1に記載の微And compensating the output of the compensator.
動位置決め制御装置。Dynamic positioning control device.
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