JP5963600B2

JP5963600B2 - 除振装置

Info

Publication number: JP5963600B2
Application number: JP2012170384A
Authority: JP
Inventors: 光宏古本; 浅野　俊哉; 俊哉浅野; 江本　圭司; 圭司江本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: KR20130018610A; US20130037687A1; US8915479B2; JP2013053746A

Description

本発明は、除振装置に関する。

電子顕微鏡や半導体露光装置などの精密機器の高精度化に伴い、かかる精密機器に搭載される除振性能に対する要求も厳しくなっている。そこで、除振性能を向上させるために、除振装置を設置する設置台の振動を補償し、除振台に加える力をフィードフォワード制御する除振装置が提案されている（特許文献１乃至４参照）。

図４は、従来の除振装置１０００の構成を示す図である。除振装置１０００は、除振台１００１と、除振台１００１を支持する複数の支持機構１００２と、除振台１００１に対して力（制御力）を加える複数のアクチュエータ１００３とを有する。アクチュエータ１００３は、配置スペース及びコストの観点から、除振台１００１を６軸方向（水平方向、鉛直方向及び並進方向の３軸、及び、各軸周りの回転方向の３軸）に駆動可能な数だけ配置される。また、除振装置１０００は、設置台１００４の振動を検出する検出部１００５と、算出部１００６及び分配部１００７を含む制御部１００９とを有する。算出部１００６は、検出部１００５の検出結果に基づいて、支持機構１００２を介して除振台１００１に伝達される振動を推測し、かかる振動を打ち消す力（除振台１００１に加えるべき力）を算出する。分配部１００７は、算出部１００６で算出された力を、アクチュエータ１００３のそれぞれが除振台１００１に加える力に分配する。このように、除振装置１０００は、設置台１００４から除振台１００１に伝達される振動を打ち消すように、アクチュエータ１００３のそれぞれをフィードフォワード制御することで除振性能を向上させている。

また、特許文献１には、設置台の振動を検出する検出部の構成や配置に関して、設置台の振動（挙動）を剛体運動成分と弾性変形成分とに分離して検出できるようにすることが開示されている。そして、かかる検出部の検出結果から除振台を支持する支持機構に加わる力を求め、除振のために必要な力を算出している。

また、特許文献２には、除振台に伝達される振動を相殺する力を各アクチュエータに分配するための分配マトリクス（分配比率）に関する技術が開示されている。特許文献２では、分配マトリクスは、除振台の重心位置と、アクチュエータの配置と、アクチュエータが除振台に加える力の方向との関係に基づいて決定されている。

特開２００３−１３０１２８号公報特開平９−１９０９５７号公報特開平１０−１１６１２０号公報特開平１０−１６９７０１号公報

しかしながら、従来の除振装置では、近年の精密機器に要求されているような高い除振性能を実現することが難しくなってきている。例えば、特許文献２の技術は、除振台の重心位置と、アクチュエータの配置と、アクチュエータが除振台に加える力の方向との関係、即ち、慣性情報から決定される分配マトリクスを用いており、除振台を支持する支持機構の剛性情報を考慮していない。このような分配マトリクスのみを用いて除振台に伝達される振動を相殺する力を各アクチュエータに分配したとしても、十分な除振性能を得ることはできない。

また、特許文献３には、除振台を支持する支持機構の剛性情報を考慮して分配マトリクスを決定することが開示されている。但し、特許文献３には、支持機構の剛性情報をどのように考慮するのか、即ち、支持機構の剛性情報を考慮した分配マトリクスが具体的に開示されていない。

また、特許文献４には、除振台を支持する支持機構のそれぞれに加わる力を３方向（水平方向、鉛直方向及び並進方向）について検出し、その力と逆方向に除振台に力を加えることができるように多数のアクチュエータを配置することが開示されている。但し、除振装置においては、配置スペースやコストの観点から、アクチュエータの数を極力少なくすることが要求されているため、実際の除振装置に適用することは難しい。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、高い除振性能を実現するのに有利な技術を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての除振装置は、除振台と、前記除振台を支持する複数の支持機構と、前記除振台に力を加える複数のアクチュエータと、前記除振台における振動を表す振動データを取得する取得部と、前記取得部で取得された前記振動データに基づいて、前記除振台における振動を低減させるために前記除振台に加えるべき力を算出する第１算出部と、前記第１算出部で算出された力を、前記複数のアクチュエータのそれぞれが前記除振台に加える力に分配する分配部と、を有し、前記分配部は、前記第１算出部で算出された前記力を、第１周波数帯域の力成分のみを含む第１力と、前記第１周波数帯域よりも低い第２周波数帯域の力成分のみを含む第２力とに分離する分離部と、前記第１算出部で算出された力を前記複数のアクチュエータのそれぞれに分配するための分配比率を周波数帯域ごとに有し、前記分配比率のうち第１分配比率を前記第１力に乗算した結果と、前記第１分配比率とは異なる第２分配比率を前記第２力に乗算した結果とを足し合わせることで前記複数のアクチュエータのそれぞれが前記除振台に加える力を算出する第２算出部と、を含むことを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、高い除振性能を実現するのに有利な技術を提供することができる。

本発明の一側面としての除振装置の構成を示す図である。図１に示す除振装置における制御部の別の構成を示す図である。除振台を支持する支持機構の剛性情報を考慮する必要性を説明するための図である。従来の除振装置の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

本発明者は、高い除振性能を有する除振装置を提供する上で、除振台における振動を低減する（相殺する）ために除振台に加えるべき力を各アクチュエータに分配する際に、除振台を支持する支持機構の剛性情報を考慮する必要性について鋭意検討した。

図３（ａ）は、マスＭ（慣性）とバネＫ（剛性）からなる単純な１自由度系に力Ｆを加えた状態を示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す状態における運動方程式ＭＸ’’＋ＫＸ＝Ｆから求まる変位Ｘ／力Ｆの伝達関数を示している。かかる伝達関数は、１／（Ｍｓ^２＋Ｋ）で表される。図３（ｂ）を参照するに、振幅がピークとなる周波数が固有振動数（１Ｈｚ）であり、固有振動数を境界として伝達関数の様子が変化している。

固有振動数よりも高い周波数を含む周波数帯域（高周波数帯域）では、バネＫの振幅は小さく、マスＭの運動は高速である。換言すれば、高周波数帯域では、運動方程式はＭＸ’’＝Ｆで近似することが可能であり、伝達関数は１／Ｍｓ^２で表すことができる。一方、固有振動数よりも低い周波数を含む周波数帯域（低周波数帯域）では、バネＫの振幅は大きく、マスＭの運動は低速である。換言すれば、低周波数帯域では、運動方程式はＫＸ＝Ｆで近似することが可能であり、伝達関数は１／Ｋで表すことができる。

従って、物体に加える力の周波数に応じて、物体の運動は慣性が支配的か、或いは、剛性が支配的かを考慮し、適切な情報に基づいて力を分配する必要がある。特許文献２に代表される従来技術では、上述したように、慣性情報から決定される分配マトリックスしか用いていないため、剛性が支配的な低周波数帯域の力についても慣性情報に基づいて分配が行われることになる。その結果、従来技術では、低周波数帯域の振動に対する除振効果が低く、十分な除振性能を得ることができていない。

そこで、本実施形態では、除振台を支持する支持機構の固有振動数よりも低い周波数帯域については剛性情報から決定される分配マトリクスを、かかる固有振動数よりも高い周波数帯域については慣性情報から決定される分配マトリクスを用いる。

図１（ａ）は、本発明の一側面としての除振装置１の構成を示す図である。除振装置１は、電子顕微鏡や半導体露光装置などの精密機器に適用され、除振台（に載置された部材）が振動することを抑制（防止）するための装置である。除振装置１は、除振台１０と、除振台１０を支持する複数の支持機構２０と、除振台１０に力を加える複数のアクチュエータ３０と、除振台１０における振動を表す振動データを取得する取得部４０と、除振装置１の全体を制御する制御部５０とを有する。

アクチュエータ３０は、本実施形態では、配置スペース及びコストの観点から、除振台１０に対して６つの方向（水平方向、鉛直方向及び並進方向の３つの方向、及び、各軸周りの回転方向の３つの方向）の力を加えることが可能な数だけ配置される。アクチュエータ３０は、制御部５０の制御下において（第２算出部５２４の算出結果に基づいて）、除振台１０に力を加える。

取得部４０は、例えば、除振台１０における振動を検出することで振動データを取得する検出部（第１検出部）、及び、除振台１０が設置される設置台ＢＢの振動を検出することで振動データを取得する検出部（第２検出部）の少なくとも一方を含む。図１（ａ）では、取得部４０として、加速度計、速度計、変位計、力検出計などを含んで設置台ＢＢの振動を検出する検出部４０ａが構成されている。

制御部５０は、本実施形態では、第１算出部５１０と、分離部５２２及び第２算出部５２４を含む分配部５２０とで構成される。第１算出部５１０は、取得部４０で取得された振動データに基づいて、除振台１０における振動を低減させるために（理想的には、打ち消すために）除振台１０に加えるべき力を算出する。図１（ａ）では、取得部４０としての検出部４０ａが設置台ＢＢの振動を検出するため、設置台ＢＢの振動に基づいて、支持機構２０を介して除振台１０に伝達される振動（即ち、除振台１０における振動）を推測する必要がある。かかる推測は、第１算出部５１０が行ってもよいし、検出部４０ａが行ってもよい。

分配部５２０は、第１算出部５１０で算出された力を、複数のアクチュエータ３０のそれぞれが除振台１０に加える力に分配する。分離部５２２は、ハイパスフィルタＨＰＦと、ローパスフィルタＬＰＦとを含み、第１算出部５１０で算出された力を、第１周波数帯域の力成分のみを含む第１力と、第１周波数帯域よりも低い第２周波数帯域の力成分のみを含む第２力とに分離する。具体的には、分離部５２２は、第１算出部５１０で算出された力を２つのルートで読み込み、それぞれをハイパスフィルタＨＰＦ又はローパスフィルタＬＰＦに通す。第１算出部５１０で算出された力は、ハイパスフィルタＨＰＦを通ることで低周波数帯域の力成分がカットされて高周波数帯域（即ち、第１周波数帯域）の力成分のみを含む力（第１力）となる。また、第１算出部５１０で算出された力は、ローパスフィルタＬＰＦを通ることで高周波数帯域の力成分がカットされて低周波数帯域（即ち、第２周波数帯域）の力成分のみを含む力（第２力）となる。従って、第１算出部５１０で算出された力は、分離部５２２によって、高周波数帯域の力成分のみを含む力と、低周波数帯域の力成分のみを含む力とに分離される。

ここで、ハイパスフィルタＨＰＦ及びローパスフィルタＬＰＦのカットオフ周波数は、支持機構２０の固有振動数に設定することが理想的であるが、支持機構２０の固有振動数を含む所定の周波数帯域に設定すればよい。換言すれば、第１周波数帯域が支持機構２０の固有振動数よりも高い周波数を含む周波数帯域となり、第２周波数帯域が支持機構２０の固有振動数よりも低い周波数を含む周波数帯域となるように、カットオフ周波数を設定すればよい。

第２算出部５２４は、第１算出部５１０で算出された力を複数のアクチュエータ３０のそれぞれに分配するための分配マトリクス（分配比率）を周波数帯域ごとに有する。第２算出部５２４は、本実施形態では、高周波数帯域の力成分のみを含む力を分配するための第１分配マトリクス（第１分配比率）Ｈ１及び低周波数帯域の力成分のみを含む力を分配するための第２分配マトリクス（第２分配比率）Ｈ２を有する。そして、第２算出部５２４は、第１分配マトリクスＨ１を高周波数帯域の力成分のみを含む力に乗算した結果と、第１分配マトリクスＨ１とは異なる第２分配マトリクスＨ２を低周波数帯域の力成分のみを含む力に乗算した結果とを足し合わせる。これにより、第２算出部５２４は、複数のアクチュエータ３０のそれぞれが除振台１０に加える力を算出する。

第１分配マトリクスは、慣性情報、即ち、複数のアクチュエータ３０の配置と、除振台１０の重心位置と、複数のアクチュエータ３０のそれぞれが除振台１０に加える力の方向との関係に基づいて決定される。一方、第２分配マトリクスは、剛性情報、即ち、複数のアクチュエータ３０の配置と、複数の支持機構２０の配置及び剛性と、複数のアクチュエータ３０のそれぞれが除振台１０に加える力の方向との関係に基づいて決定される。

また、第１分配マトリクスＨ１及び第２分配マトリクスＨ２は、複数のアクチュエータ３０のうち１つのアクチュエータによって除振台１０に一方向の力を加えたときに取得部４０で取得される振動データに基づいて決定してもよい。

例えば、第１分配マトリクスＨ１は、以下のようにして決定される。まず、複数のアクチュエータ３０のうち１つのアクチュエータによって除振台１０に支持機構２０の固有振動数以上の周波数（即ち、高周波数）の力を加える。これにより、除振台１０の運動を慣性が支配的な状態にすることができる。この際、アクチュエータが除振台１０に加える力をＦ１とし、力Ｆ１を加えたときの除振台１０の応答ベクトルをＡ１とする。例えば、応答ベクトルＡ１は、以下の式（１）に示すように、除振台１０の重心変位をベクトルで並べたものであってもよい。

このような処理を複数のアクチュエータ３０の全てに対して行うことで、各アクチュエータが除振台１０に加える力Ｆｎに対する除振台１０の応答ベクトルＡｎ（ｎ：アクチュエータ３０の数）が既知となる。かかる応答ベクトルＡｎをマトリクス状に並べたものをｈ１とすると、各アクチュエータが除振台１０に力を加えたときの除振台の応答ＡＡは、以下の式（２）で表される。

第１分配マトリクスＨ１は、除振台１０をＡＡだけ動かす際に、除振台１０に加えるべき力を各アクチュエータに分配するための分配比率である。従って、第１分配マトリクスＨ１は、以下の式（３）に示すように、ｈ１の逆行列として求めることができる。

また、第２分配マトリクスＨ２も、第１分配マトリクスＨ１と同様にして決定される。第２分配マトリクスＨ２を決定する際には、複数のアクチュエータ３０のうち１つのアクチュエータによって除振台１０に支持機構２０の固有振動数よりも低い周波数（即ち、低周波数）の力を加える。例えば、アクチュエータをステップ駆動させて除振台１０の運動を剛性が支配的な状態とし、つりあい状態の除振台１０の変位をマトリクス状に並べればよい。

このように、分配部５２０は、ハイパスフィルタＨＰＦを通った高周波数帯域の力成分のみを含む力に対しては第１分配マトリクスＨ１を用いて各アクチュエータへの力の分配を行う。また、分配部５２０は、ローパスフィルタＬＰＦを通った低周波数帯域の力成分のみを含む力に対しては第２分配マトリクスＨ２を用いて各アクチュエータへの力の分配を行う。これにより、第１算出部５１０で算出された力（除振台１０における振動を低減するために除振台１０に加えるべき力）を周波数に応じて分配することができる。従って、除振装置１は、高い除振性能を実現することができる。

図１（ａ）では、制御部５０は、設置台ＢＢの振動から推測される除振台１０における振動を低減するように、アクチュエータ３０（即ち、アクチュエータ３０の駆動）をフィードフォワード制御している。但し、図１（ｂ）に示すように、取得部４０として、除振台１０における振動を検出する検出部４０ｂを構成し、制御部５０は、検出部４０ｂで検出される振動を低減するように、アクチュエータ３０をフィードバック制御してもよい。また、図１（ｃ）に示すように、取得部４０として、設置台ＢＢの振動を検出する検出部４０ａ及び除振台１０における振動を検出する検出部４０ｂの両方を構成し、アクチュエータ３０をフィードフォワード制御及びフィードバック制御してもよい。これにより、除振装置は、除振性能を更に向上させることができる。

また、図２に示すように、分配部５２０は、分離部５２２の前段（第１算出部５１０で算出された力を分離する前）、即ち、第１算出部５１０と分離部５２２との間に、ノッチフィルタ５２６を有していてもよい。ノッチフィルタ５２６は、その遮断周波数が支持機構２０の固有振動数に設定され、支持機構２０の固有振動数における力成分を低減する。これにより、アクチュエータ３０が除振台１０に力を加えることによって、除振台１０が共振してしまうことを防止することができる。

本実施形態においては、支持機構２０として空気ばねを用いている。空気ばねは、除振台１０を数Ｈｚ〜数十Ｈｚ程度の低い固有振動数で支持する。また、設置台ＢＢに対する除振台１０の変位を計測するセンサ（不図示）と、空気ばねの圧力を調整する調整器（不図示）とを備え、センサの出力に基づいて空気ばねの圧力を調整することで、除振台１０の位置を制御する。

除振台１０の位置制御系の制御帯域（周波数帯域）は、固有振動数の１／１０程度に設定されている。これにより、設置台ＢＢに対する除振台１０の極低周波の位置変動のみを低減することができる。つまり、設定された制御帯域よりも高い周波数で設置台ＢＢの振動に除振台１０が追従することを抑制できるため、支持機構２０の低剛性支持を維持することができる。

また、アクチュエータ３０としては力アクチュエータが用いられ、好適には、ローレンツ力を利用したリニアモータが用いられる。リニアモータによる制御は、空気ばねと調整器による制御に比べて応答性が高いため、除振台１０の固有振動数よりも高い周波数における振動抑制に有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims

除振台と、
前記除振台を支持する複数の支持機構と、
前記除振台に力を加える複数のアクチュエータと、
前記除振台における振動を表す振動データを取得する取得部と、
前記取得部で取得された前記振動データに基づいて、前記除振台における振動を低減させるために前記除振台に加えるべき力を算出する第１算出部と、
前記第１算出部で算出された力を、前記複数のアクチュエータのそれぞれが前記除振台に加える力に分配する分配部と、を有し、
前記分配部は、
前記第１算出部で算出された前記力を、第１周波数帯域の力成分のみを含む第１力と、前記第１周波数帯域よりも低い第２周波数帯域の力成分のみを含む第２力とに分離する分離部と、
前記第１算出部で算出された力を前記複数のアクチュエータのそれぞれに分配するための分配比率を周波数帯域ごとに有し、前記分配比率のうち第１分配比率を前記第１力に乗算した結果と、前記第１分配比率とは異なる第２分配比率を前記第２力に乗算した結果とを足し合わせることで前記複数のアクチュエータのそれぞれが前記除振台に加える力を算出する第２算出部と、
を含むことを特徴とする除振装置。
前記第１分配比率は、前記複数のアクチュエータの配置と、前記除振台の重心位置と、前記複数のアクチュエータのそれぞれが前記除振台に加える力の方向との関係に基づいて決定され、
前記第２分配比率は、前記複数のアクチュエータの配置と、前記複数の支持機構の配置及び剛性と、前記複数のアクチュエータのそれぞれが前記除振台に加える力の方向との関係に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の除振装置。
前記取得部は、前記除振台における振動を検出することで前記振動データを取得する第１検出部、及び、前記除振台が設置される設置台の振動を検出することで前記振動データを取得する第２検出部の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の除振装置。
前記第１周波数帯域は、前記複数の支持機構の固有振動数よりも高い周波数を含む周波数帯域であり、
前記第２周波数帯域は、前記複数の支持機構の固有振動数よりも低い周波数を含む周波数帯域であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の除振装置。
前記分配部は、前記第１算出部と前記分離部との間に、前記固有振動数における力成分を低減するフィルタを含むことを特徴とする請求項４に記載の除振装置。
前記第１分配比率及び前記第２分配比率は、前記複数のアクチュエータのうち１つのアクチュエータによって前記除振台に一方向の力を加えたときに前記取得部で取得される前記振動データに基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の除振装置。
前記第１分配比率は、前記１つのアクチュエータによって前記除振台に前記複数の支持機構の固有振動数以上の周波数の力を加えたときに前記取得部で取得される前記振動データに基づいて決定されることを特徴とする請求項６に記載の除振装置。
前記第２分配比率は、前記１つのアクチュエータによって前記除振台に前記複数の支持機構の固有振動数よりも低い周波数の力を加えたときに前記取得部で取得される前記振動データに基づいて決定されることを特徴とする請求項６に記載の除振装置。