JP3724863B2

JP3724863B2 - Precision vibration isolator

Info

Publication number: JP3724863B2
Application number: JP32453695A
Authority: JP
Inventors: 満蔭山
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1995-12-13
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2015-12-13
Also published as: JPH09166176A

Description

【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。
【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。
【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、効果的な制振が出来ないと言う問題点があった。
【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極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な精密除振装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の精密除振装置は、設置床に対して弾性マウントを介して支持されたテーブルと、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バネ定数であり、前記サーボアクチュエータの先端部と前記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を備え、前記結合バネは、サーボアクチュエータのセンチメートル・オーダーの変位を、ミクロン・オーダー以下の変位にするような弾性率に設定されている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
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。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、テーブル１を水平一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テーブル１を励振する二系統のアクチュエータ機構を設けるし、さらにはテーブル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、以下では水平一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、二次元または三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二軸分あるいは三軸分設ければよい。
【０００７】
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、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を駆動してテーブル１の振動を抑制する。
【０００８】
サーボアクチュエータ４の駆動力はテーブル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）、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、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。
【０００９】
更に、アクチュエータが追従できない非常に高い振動数の除振は、アクチュエータに取り付けられた結合バネによって、パッシブ的に除振される。
【００１０】
つぎに前記実施例におけるテーブル１の振動特性（除振性能）を数式モデルを使って説明する。
【００１１】
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。
【００１２】
【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。
【００１３】
【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。
【００１４】
【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、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、
【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。
【００１５】
【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。
【００１６】
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【符号の説明】
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振動センサ
６ｃ変位センサ
７コンピュータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a precision vibration isolator used for the purpose of mounting precision equipment such as an LSI reduction exposure apparatus, an electron microscope, or a scanning tunneling microscope, and more particularly to a technology improvement that effectively suppresses harmonic components of vibration.
[0002]
[Prior art]
As is well known, the following precision vibration isolator is used in LSI factories and the like. A table on which an electron microscope or the like is placed is supported via an appropriate elastic mount and servo actuator with respect to the installation floor. The output of the vibration sensor that detects 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 well-known active vibration suppression technique. The active vibration suppression control system includes a feedback control system that drives the actuator in accordance with the output of the vibration sensor that is sensitive to the vibration of the table, and the actuator that is driven in accordance with the output of the vibration sensor that is sensitive to the vibration of the installation floor. There is a feed-forward control system. An apparatus having only one of the control systems is also known, but generally includes both feedback and feedforward control systems.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
When an active vibration suppression mechanism as described above is used to suppress table vibration to a micron level or lower, an actuator that can control displacement with submicron order accuracy from a low frequency to an infinitely high frequency is required. It becomes. Actuators that follow up to a relatively high frequency (piezo actuators, etc.) have high rigidity of the actuator itself, and vibrations with higher frequency components on the floor that the actuator cannot follow are transmitted to the vibration isolation 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 it cannot perform effective vibration suppression due to poor followability at the secondary and tertiary high frequencies of the vibration isolation table.
[0004]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems. The accuracy is rough, but the stroke is sufficiently large, and an extremely general actuator that follows from a low frequency to a relatively high frequency is used to achieve a micron level or less. It is to provide a precision vibration isolator that can be controlled.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The precision vibration isolator of the present invention comprises a table supported by an installation floor via an elastic mount, a servo actuator having a base end fixed to the installation floor, and a spring constant much smaller than that of the elastic mount. A coupling spring that connects the tip of the servo actuator and the table, a vibration sensor that is sensitive to vibration of the installation floor, a vibration sensor that is sensitive to vibration of the table, and a displacement of the movable part of the servo actuator And a displacement 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 the coupling spring is a centimeter of the servo actuator. The elastic modulus is set so that the displacement of the order is a displacement of micron order or less.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A schematic configuration of a precision vibration isolator according to one embodiment of the present invention is shown in FIG. The table 1 is supported on the installation floor 3 via an elastic mount 2 such as a laminated rubber or an air spring. A base end portion (cylinder portion) of a servo actuator 4 formed of a servo hydraulic cylinder is fixed to the installation floor 3, and a tip end portion of a piston rod is connected to the table 1 via a coupling spring 5. In the figure, only one servo actuator 4 is shown, and it seems that the table 1 is excited only in the horizontal uniaxial direction, but this is for the sake of simplicity. Of course, normally, two actuator mechanisms for exciting the table 1 in two orthogonal directions on a horizontal plane are provided, and further, an actuator mechanism for exciting the table 1 in the vertical direction is often added. However, in the following description, only the actuator 4 in the horizontal uniaxial direction is described. However, in the case of performing two-dimensional or three-dimensional active vibration suppression control, the configuration of the control system described below is for two axes or three axes. What is necessary is just to provide.
[0007]
A vibration sensor 6 a that is sensitive to the vibration of the installation floor 3 immediately below the table 1 and a vibration sensor 6 b that is sensitive to the vibration of the table 1 are attached. A displacement sensor 6c for detecting the displacement of the movable part (piston or piston rod) of the servo actuator 4 is attached. 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 the calculation processing of feedforward control and feedback control according to the set algorithm, and drives the servo actuator 4 The vibration of the table 1 is suppressed.
[0008]
The driving force of the servo actuator 4 is not transmitted directly to the table 1 but transmitted via the coupling spring 5. The coupling spring 5 is a very soft spring (having a very low elastic modulus and a very low rigidity), and has a rigidity about 1 / 10,000 of the displacement rigidity of the elastic mount 2 that supports the table 1. Thereby, even if the servo actuator 4 is reciprocally displaced with a large amplitude of centimeter order, the table 1 is displaced only with an amplitude of micron order or less.
[0009]
Further, vibration isolation at a very high frequency that cannot be followed by the actuator is passively performed by a coupling spring attached to the actuator.
[0010]
Next, the vibration characteristics (vibration isolation performance) of the table 1 in the embodiment will be described using a mathematical model.
[0011]
The vibration equation when the vibration of the installation floor 3 and the vibration control force by the actuator 4 act on the table 1 is expressed by Equation 1.
[0012]
[Expression 1]

This can be summarized as Equation 2 by the response (z + y) seen from the absolute coordinates.
[0013]
[Expression 2]

Here, for simplicity, if c = 0, it is necessary to satisfy Equation 3 in order to cancel the right-side external force term in Equation 2 of the absolute response with the displacement z of the actuator 4.
[0014]
[Equation 3]

Assuming that the rigidity Ks of the coupling spring 5 is 1 / 10,000 of the rigidity K of the elastic mount 2, the stroke of the actuator 4 can be expanded and used for 10,000 times the vibration y of the installation floor 3. This description relates to feedforward control (input cancellation) for floor vibration, but also in the case of feedback control in which the movement of the table 1 is sensed and controlled, the amplitude (x + y) can be enlarged and controlled. Where C ′ is the control attenuation,
[Expression 4]

In order to realize the characteristic of Expression 4 by the stroke control of the actuator 4, the stroke of only the feedback term is Expression 5.
[0015]
[Equation 5]

Finally, the stroke of the actuator 4 that satisfies Equation 4 is added to Equation 3 to become Equation 6.
[0016]
[Formula 6]

These numerical formulas also indicate that the stroke Z of the actuator 4 increases as ks decreases with respect to (k + ks). 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.
[0017]
【The invention's effect】
According to the present invention, the vibration of the table can be suppressed to a micron order or less using a high-power servo actuator such as a hydraulic cylinder whose displacement control accuracy is not so high, and as a precision vibration isolator for mounting an electron microscope having a large mass. Exhibits extremely excellent vibration isolation performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a precision vibration isolator according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Table 2 Elastic mount 3 Installation floor 4 Servo actuator 5 Coupling springs 6a and 6b Vibration sensor 6c Displacement sensor 7 Computer

Claims

A table supported via an elastic mount with respect to the installation floor; a servo actuator having a base end fixed to the installation floor; and an elastic modulus much smaller than that of the elastic mount; A coupling spring that connects the table, a vibration sensor that is sensitive to vibration of the installation floor, a vibration sensor that is sensitive to vibration of the table, a displacement sensor that detects the displacement of the movable part of the servo actuator, and 3 Active vibration suppression control means for driving the servo actuator according to the output of two sensors to suppress vibrations of the table,
The precision vibration isolator according to claim 1, wherein the coupling spring is set to have an elastic modulus such that a displacement of a centimeter order of the servo actuator is a displacement of a micron order or less.