JPH04333110A

JPH04333110A - ステージ用振動抑制システム

Info

Publication number: JPH04333110A
Application number: JP10412591A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Sakai; 酒井　倫子; Isao Kobayashi; 功小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-05-09
Filing date: 1991-05-09
Publication date: 1992-11-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高精度位置決めステー
ジに於いて、ステージを駆動したときに起こる振動を抑
制するためのシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種の精密な測定装置、あるいは
半導体関連の各種製造検査装置では、極めて高い位置決
め精度（例えば０．１ミクロン以下　）をもつ位置決め
ステージの要求が高まっている。通常、この種のステー
ジは、外界からの振動を遮断するため、除振装置付き定
盤の上に搭載されているが、ステージ駆動時の反力によ
り、除振装置上の定盤が加振されステージ移動終了後も
定盤の振動が残留する。

【０００３】図３は、一般的な高精度位置決めステージ
を示した説明図である。図に於いて、１は定盤で２で示
すステージがこの上を移動する。また、定盤１は、外界
からの振動を遮断するため、３で示す除振装置（例えば
、空気ばねまたは積層ゴム等）で支持されるのが普通で
ある。ステージ２を動かすには、定盤１に対してステー
ジ２を加速または減速するステージ駆動装置（一般的に
はモータ，送りスクリュー等）が必要であるがこれは図
示していない。

【０００４】ステージ２を定盤上で移動させるには、ス
テージ２に力を加えて加速し、停止のためには逆方向の
力を与えて減速させることが必要である。この加速，減
速の力は、その反力を定盤１に与える。定盤１は除振装
置３により支持されているため、反力を受けると定盤１
には振動が発生し、ステージ停止後も継続する。定盤上
の構造体が剛体として扱える限りは、この振動は問題と
はならないが、装置に要求される精度が高ければ高いほ
ど、構造体の弾性変形は顕在化するため、この振動は、
装置の精度及び、スループットに大きく影響を与える。

【０００５】従来、このような振動を防止するため、種
々の方法がとられており、その一つの方法として、特開
昭５８−６８１１８　号公報には、図４のような装置が
示されている。図４に於いて、１は定盤を示し、２はス
テージ、３は除振装置、４は外部に設けられた力発生器
である。ステージ２を加速，減速する際、ステージ２が
定盤１に与える反力と大きさが同じで逆向きの力を、外
部力発生器４により定盤１に与えることにより、ステー
ジ移動装置からの反力と、外部力発生器４からの力が常
に打ち消しあうため、外部力発生器４の発生力の精度が
高ければ、定盤１はまったく振動することがなくなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】振動抑制方法の原理は
、従来からよく知られているが、この種の装置の実用化
に際しては、いかに精度よく外部力発生器の力制御を行
なうかが最も大きな技術課題となる。例えば、従来技術
は、以下に示す点について考慮が十分ではなく、満足な
制振ができない場合がある。

【０００７】（１）ステージと定盤との間での摩擦力と
して失われる力を考慮していないため、力発生器に与え
る力の目標値は、実際に発生しているステージ駆動によ
る反力と異なる。

【０００８】（２）ステージ駆動装置と異なる特性をも
つ力発生器を用いる場合には、従来技術で示されている
ような、ステージ駆動装置の操作量を単に定数倍した値
を操作量として力発生器に与える方法では、ステージ駆
動装置の発生する力と同じ大きさの力を力発生器より発
生させることはできない。

【０００９】本発明の目的は、効果的な定盤の制振を行
ない、装置の精度及び、スループットを向上させる実用
的なシステムを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
には、以下二点が必要である。

【００１１】（１）加振力の正確な検出または演算によ
る高精度な発生力目標値の生成。

【００１２】（２）発生力目標値と、力発生器出力の高
精度な一致。

【００１３】このためには、ステージの加速度を元にし
て発生力目標値を高精度に生成し、さらに、コントロー
ラ内で力発生器の特性を補償して力発生器の操作量を決
定するのが効果的である。

【００１４】

【作用】定盤への加振力は、ステージ加減速時の加速度
に比例し、また、一般に、ステージ質量は定盤質量の１
／１０〜１／２０以下であることが多い。このため、こ
の系の中ではステージ加速度の検出が比較的高精度に検
出可能な値であり、さらに、この値は定盤への加振力、
さらには力発生器の発生力目標値を演算するに好適であ
る。また、力発生器のコントローラ内に伝達関数の逆系
を構成することにより、力発生器の特性を補償して発生
力目標値と力発生器のステージ加速度信号入力を高精度
に一致させることができる。なお、コントローラのステ
ージ加速度信号入力部に低域通過フィルタを設けること
により、目的とする低周波成分のみの制御が行なえるた
め系内で発生する高周波成分の信号が悪影響を与えるこ
とを防ぐことができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。図に於いて１は定盤であり、２に示すステージ２が
この上を移動する。定盤１は外部振動を遮断するためで
、３で示す除振装置で支持されている。また、４は外部
に設けられた力発生器であり、その推力軸は、ステージ
駆動装置の推力軸に一致している。５は、ステージ２の
移動加速度を検出する加速度センサであり、６は、振動
抑制システム用コントローラ、７は、外部力発生器４の
パワーアンプである。

【００１６】図１に於いて、ステージ２を移動させる場
合、定盤１に対して加速または減速を行なう。従って、
このときの反力が定盤１に与えられる。このとき、定盤
１を加振しないためには、外部力発生器４によりステー
ジ２の加速または減速により発生した力と同じ大きさで
方向が反対の力を定盤１に与える必要がある。

【００１７】ステージ２を駆動するときのステージ駆動
装置（モータ等）からの駆動力をＦ、ステージ２の可動
部質量をＭ、ステージ２の移動量をｘ、ステージ２と定
盤１との間の摩擦係数をμ、重力加速度をｇとすると、
ステージ２の運動方程式は、

【００１８】

【数１】

【００１９】と、表される。このとき、定盤１に加わる
反力Ｆ′は、

【００２０】

【数２】

【００２１】となる。従って、外部力発生器４からは、
ステージ２の加速度をステージ２の質量倍した力を発生
すれば良い。そこで、加速度センサ５により、ステージ
２の加速度を検出し、コントローラ６への入力とする。コントローラ６は、加速度センサ５より与えられた加速
度信号Ａをステージ２の質量倍し、外部力発生器４の力
特性とそのパワーアンプ７の特性を補償した結果を、パ
ワーアンプ７へ操作量Ｂとして出力する。例えば、外部
力発生器４とそのパワーアンプ７に操作量として、ある
入力信号Ｕを与えた場合に、力発生器４が定盤１に与え
る力をＹとするとき、Ｇ＝Ｙ／Ｕ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　…（３）となる伝達関数Ｇを、あ
らかじめ実験あるいは計算により求めておき、Ｂ＝Ａ・Ｍ／Ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　…（４）となる操作量Ｂを、振動抑制
用システムコントローラによりパワーアンプ７に出力し
て、外部力発生器４を駆動する。これにより、外部力発
生器４は、常時、ステージ２を移動させるために発生す
る力と大きさが等しく方向が逆の力を定盤１に与える。このように、ステージ２を移動させるために発生する力
と大きさが等しく、方向が逆の力を外部力発生器４によ
り定盤１に与えることにより、ステージ２の移動による
反力と外部力発生器４の発生する力が常に打ち消しあう
ため、定盤１はまったく振動することがなくなる。

【００２２】次に、本発明の第二の実施例を図２による
説明する。

【００２３】図１と異なる点は、８の低域通過フィルタ
が付加されている。この例でも、第一の例と同様にステ
ージ２を移動させる場合、定盤１に対して加速または減
速を行なうため、このときの反力が定盤１に与えられる
。このとき、定盤１を加振しないためには、前述のよう
に、外部力発生器４によりステージ２の加速または減速
により発生した力と同じ大きさで方向が反対の力を定盤
１に与える必要があるが、外部力発生器４及びパワーア
ンプ７の特性に時間遅れ要素が含まれる場合や、加速度
センサ５の出力信号にステージ２の固有振動が含まれて
くる場合、外部力発生器４が発生する反力の高周波成分
に対して追従せずに悪影響を及ぼす可能性がある。しか
し、一般に定盤１の固有振動数は数Ｈｚであるため、そ
の振動を制御するための制御周期は、数十Ｈｚで十分で
あるため、振動抑制システム用コントローラ６のステー
ジ加速度信号入力部に低域通過フィルタ８を設け、高周
波成分をカットすることにより前述の悪影響を取り除く
ことができる。すなわち、振動抑制用システムコントロ
ーラ６は、以下に示す式によりパワーアンプ７へ操作量
Ｂを決定する。図１の例と同様に、ステージ２の可動部
質量をＭ、加速度センサ５より与えられた加速度信号を
Ａ、外部力発生器４及びパワーアンプ７の（時間遅れ要
素を含まない部分の）伝達関数をＧとすると、Ｂ＝Ｈ・
Ａ・Ｍ／Ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　…（５）ここで、Ｈは、低域通過フィルタ８の伝達
関数である。低域通過フィルタ８のカットオフ周波数は、ステージ２
の固有振動数より低くステージ２の制御系のサーボ帯域
になるように設定する。これにより、外部力発生器４は
、ステージ２を移動させるために発生する力と大きさが
完全には等しくないが、定盤を加振する力の成分を相殺
する力を発生するため、定盤１の振動を非常に小さくす
ることができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の第一の実施例によれば、振動抑
制システム用コントローラによって、ステージの加速度
からステージ移動時に定盤に加わる反力を求め、外部力
発生器の出力すべき力の目標値とし、力発生器の特性を
補償した操作量を決定して、その操作量により力発生器
を駆動するため、外部力発生器は、常時、ステージを移
動させるために発生する力と大きさが等しく方向が逆の
力を定盤に与える。このように、ステージの移動による
反力と外部力発生器の発生する力が常に打ち消しあうた
め、定盤はまったく振動することがなくなる。

【００２５】また、本発明の第二の実施例によれば、外
部力発生器及びそのパワーアンプの特性に時間遅れ要素
が含まれる場合や、加速度センサの出力信号にステージ
の固有振動が含まれてくる場合には、振動抑制システム
用コントローラのステージ加速度信号入力部に低域通過
フィルタを設け、高周波成分をカットすることにより、
外部力発生器は、ステージを移動させるために発生する
力と大きさが完全には等しくないが、定盤を加振する力
の成分を相殺する力を発生するため、定盤の振動を小さ
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図。

【図２】本発明の第二の実施例のブロック図。

【図３】従来の構成を示す説明図。

【図４】従来の構成を示す説明図。

【符号の説明】

１…定盤、２…ステージ、３…除振装置、４…外部力発
生器、５…加速度センサ、６…振動抑制システム用コン
トローラ、７…パワーアンプ、８…低域通過フィルタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外界からの振動を遮断するための除振装置
で支持された定盤と、前記定盤上に設けられ少なくとも
一方向に移動可能なステージと、前記ステージ駆動装置
及びステージ駆動用制御装置と、前記定盤に力を加える
ための外部力発生器とを含むステージ用振動抑制システ
ムに於いて、ステージ移動加速度を検出するセンサを具
備し、前記センサの値を入力値として前記定盤への加振
力および前記外部力発生器の発生力目標値を演算し、内
部に構成された力発生器の伝達関数の逆系によって力発
生器の特性を補償して発生力目標値を演算する振動抑制
システム用コントローラを備えたことを特徴とするステ
ージ用振動抑制システム。