JPH05189050A - Positioning device - Google Patents

Positioning device

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JPH05189050A
JPH05189050A JP4002342A JP234292A JPH05189050A JP H05189050 A JPH05189050 A JP H05189050A JP 4002342 A JP4002342 A JP 4002342A JP 234292 A JP234292 A JP 234292A JP H05189050 A JPH05189050 A JP H05189050A
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surface plate
acceleration
stage
signal
power amplifier
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伸二 涌井
Katsumi Asada
克己 浅田
Mikio Sato
幹夫 佐藤
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Abstract

PURPOSE:To suppress a disturbance more by inputting the detection signal regarding the acceleration of a surface plate to a power amplifier through a high-band surface plate acceleration feedback circuit which is set in an optimum state. CONSTITUTION:The signal generated by detecting the acceleration of the surface plate is inputted to the power amplifier 6 through the high-band surface plate acceleration feedback circuit 9 which is set in the optimum state. Further, an acceleration sensor which has high sensitivity in a low frequency range and an acceleration sensor which has high sensitivity above an intermediate frequency band are installed in the surface plate and the frequency band of the feedback circuit 9 is set to a high frequency range. The gains of the sensors are added in parallel after being matched with each other and the output is fed back. Consequently, the frequency characteristics from a surface plate acceleration detection point to the parallel addition output, i.e., to the input point of the power amplifier become flat over the high frequency range. Consequently, restrictions of disturbance suppression effect due to a large time constant of a low-pass filter are reducible and larger suppression performance is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、除振装置である定盤に
搭載されたXYステージの位置決め、特に高速高精度位
置決めに係わり、位置決めのため移動中の速度制御モー
ドを含んだものであって、外乱からの応答が著しく抑圧
されるようにした位置決め装置を提供せんとするもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to positioning of an XY stage mounted on a surface plate, which is a vibration isolation device, and particularly to high-speed and high-accuracy positioning, and includes a speed control mode during movement for positioning. Therefore, the present invention aims to provide a positioning device in which the response from disturbance is significantly suppressed.

【0002】[0002]

【従来の技術】電子ビームを応用した電子顕微鏡やステ
ッパ等のLSI製造装置では、除振装置上にXYステー
ジを搭載した構成が採用されている。このような除振装
置は空気バネ、コイルバネ、防振ゴムなどの振動吸収手
段により振動を減衰させる機能を持つ。しかし、受動的
除振装置においては、床から伝達する振動はある程度減
衰できても、それに搭載されるXYステージ自身が発生
する振動は有効に減衰できないという問題点がある。つ
まり、XYステージ自身の高速移動によって生じる反力
は除振装置を揺らせることになり、この振動はXYステ
ージの高速高精度位置決めを阻害する外乱になってい
る。
2. Description of the Related Art An LSI manufacturing apparatus, such as an electron microscope or a stepper, to which an electron beam is applied employs a structure in which an XY stage is mounted on a vibration isolation device. Such an anti-vibration device has a function of attenuating the vibration by means of a vibration absorbing means such as an air spring, a coil spring, and a vibration isolating rubber. However, the passive vibration isolator has a problem in that the vibration transmitted from the floor can be damped to some extent, but the vibration generated by the XY stage itself mounted therein cannot be damped effectively. That is, the reaction force generated by the high-speed movement of the XY stage itself causes the vibration isolator to oscillate, and this vibration is a disturbance that hinders the high-speed and high-accuracy positioning of the XY stage.

【0003】まず、除振装置(以下、定盤と略記する)
上にXYステージが搭載された場合の力学モデルを使っ
て定式化を実施する。
First, a vibration isolation device (hereinafter abbreviated as a surface plate)
Formulation is performed using the dynamic model when the XY stage is mounted on top.

【0004】図5は定盤2に搭載されたXYステージ1
のXあるいはY水平1軸方向の力学モデルである。図示
のように、定盤2とXYステージ1とを含めた2自由度
の力学モデルになっている。ここで、図示の記号を使っ
て運動方程式は以下のように書き表される。
FIG. 5 shows an XY stage 1 mounted on a surface plate 2.
Is a mechanical model in the X or Y horizontal 1-axis direction. As shown in the figure, the mechanical model has two degrees of freedom including the surface plate 2 and the XY stage 1. Here, the equation of motion is expressed as follows using the symbols shown.

【0005】[0005]

【数1】 ただし、各記号の意味は次のとおりである。[Equation 1] However, the meaning of each symbol is as follows.

【0006】 m1 :ステージ質量[kg] m2 :定盤質量[kg] b1 :ステージの粘性摩擦係数[Ns/m] b2 :定盤の粘性摩擦係数[Ns/m] k1 :ステージのバネ定数[N/m] k2 :定盤のバネ定数[N/m] x1 :ステージ変位[m] x2 :定盤変位[m] f:駆動力[N] fext :外乱[N] ここで、f,fext からx1 とx2 までの関係をまず求
めておく。ただし、sはラプラス演算子である。
M 1 : stage mass [kg] m 2 : surface plate mass [kg] b 1 : stage viscous friction coefficient [Ns / m] b 2 : surface plate viscous friction coefficient [Ns / m] k 1 : Spring constant of stage [N / m] k 2 : Spring constant of surface plate [N / m] x 1 : Stage displacement [m] x 2 : Surface displacement [m] f: Driving force [N] f ext : Disturbance [N] Here, the relationship from f, f ext to x 1 and x 2 is first obtained. However, s is a Laplace operator.

【0007】[0007]

【数2】 この式の分母をg(s)とおく。[Equation 2] Let the denominator of this expression be g (s).

【0008】[0008]

【数3】 次に、図5の力学モデルに位置制御系を構成したときの
制御ブロック図を図6に示す。同図において、3は図5
のブロック表現である制御対象、4は位置検出変換手
段、5は位置制御系の特性改善用の補償器、6は電力増
幅器、7はアクチュエータの推力定数、8は定盤加速度
フィードバック回路である。ただし、位置検出変換手段
4には、位置検出器としての例えばレーザ干渉計と偏差
カウンタが含まれるものとする。
[Equation 3] Next, FIG. 6 shows a control block diagram when a position control system is configured in the dynamic model of FIG. In the figure, 3 is the
4 is a position detection conversion means, 5 is a compensator for improving the characteristics of the position control system, 6 is a power amplifier, 7 is a thrust constant of an actuator, and 8 is a platen acceleration feedback circuit. However, it is assumed that the position detection conversion means 4 includes, for example, a laser interferometer as a position detector and a deviation counter.

【0009】以下、同図の動作説明をしよう。まず、位
置(x1 −x2 )を検出し、目標位置x0 との偏差であ
るx0 −(x1 −x2 )に対して位置検出変換手段4の
位置ゲインKP が乗ぜられる。さらに、位置制御系の特
性改善用補償器5を通って電力増幅器6を駆動する。最
後に、XYステージを駆動するアクチュエータの推力定
数Kt による変換を経て駆動力fを発生させるように構
成されている。
The operation of the figure will be described below. First, the position (x 1 -x 2 ) is detected, and the position gain K P of the position detection conversion means 4 is multiplied by x 0- (x 1 -x 2 ) which is the deviation from the target position x 0 . Further, the power amplifier 6 is driven through the characteristic improving compensator 5 of the position control system. Finally, the driving force f is generated through conversion by the thrust constant K t of the actuator that drives the XY stage.

【0010】ここで、位置のフィードバック検出が(x
1 −x2 )である理由は、例えば位置検出手段であるレ
ーザ干渉計が通常の場合は定盤2に設置されるからであ
る。なお、x1 が直接測定される場合にはx1 が制御量
になるだけで、位置決め制御の本質には格別差異はな
い。また、図示の場合、位置制御系の特性改善用の補償
器はPID補償器となっており、P:比例動作、I:積
分動作、D:微分動作、を意味する。さらに、図示の記
号の意味と次元は以下のとおりである。
Here, the position feedback detection is (x
The reason why it is 1- x 2 ) is that, for example, a laser interferometer which is a position detecting means is usually installed on the surface plate 2. When x 1 is directly measured, x 1 becomes the control amount, and there is no particular difference in the essence of positioning control. Further, in the illustrated case, the compensator for improving the characteristics of the position control system is a PID compensator, which means P: proportional operation, I: integral operation, D: derivative operation. Furthermore, the meanings and dimensions of the symbols shown are as follows.

【0011】 KP :位置ゲイン[V/m] Fx :P動作ゲイン[V/V] Fi :I動作ゲイン[V/Vsec] Fv :D動作ゲイン[Vsec/V] Ki :電力増幅器のゲイン[A/V] Td :電力増幅器の時定数[sec] Kt :推力定数[N/A] A:定盤加速度フィードバックゲイン[V/m/sec
2 ] Ta :定盤加速度フィードバック回路の時定数[se
c] さて、図6の位置制御系において、目標位置x0 と外乱
ext から位置(x1−x2 )までの関係は次式のよう
になる。ただし、ここではまだ定盤加速度フィードバッ
ク回路8が無いものと考える。
K P : Position gain [V / m] F x : P operation gain [V / V] F i : I operation gain [V / Vsec] F v : D operation gain [Vsec / V] K i : Electric power Amplifier gain [A / V] T d : Power amplifier time constant [sec] K t : Thrust constant [N / A] A: Surface plate acceleration feedback gain [V / m / sec]
2 ] T a : Time constant of the platen acceleration feedback circuit [se
c] Now, in the position control system of FIG. 6, the relationship between the target position x 0 and the disturbance f ext to the position (x 1 −x 2 ) is as follows. However, it is assumed here that the surface plate acceleration feedback circuit 8 is not provided yet.

【0012】[0012]

【数4】 ただし、[Equation 4] However,

【0013】[0013]

【数5】 上式に示すように、目標位置x0 としてステップ入力x
0 =x00/sが与えられたとき、最終値の定理より
[Equation 5] As shown in the above equation, step input x is set as target position x 0.
Given 0 = x 00 / s, from the theorem of final value

【0014】[0014]

【数6】 となり、位置(x1 −x2 )は過渡現象が整定したあと
目標値x00に収束する。しかし、(3a)式には外乱f
ext の入力に対する伝達関数も存在することに注意せね
ばならない。すなわち、位置決め時間は目標位置x0
らと外乱fext からの応答の和になり、したがって、外
乱fext から位置(x1 −x2 )に及ぼす影響を抑圧す
ることが位置決め時間の短縮のみならず位置決め精度確
保の観点からも重要なことになっている。
[Equation 6] Therefore, the position (x 1 −x 2 ) converges to the target value x 00 after the transient phenomenon has settled. However, in equation (3a), the disturbance f
It should be noted that there is also a transfer function for the input of ext . That is, the positioning time is the sum of the responses from the target position x 0 and the disturbance f ext . Therefore, suppressing the influence of the disturbance f ext on the position (x 1 −x 2 ) is only required to shorten the positioning time. Instead, it is also important from the viewpoint of ensuring positioning accuracy.

【0015】従来、外乱fext が位置(x1 −x2 )に
及ぼす影響を抑圧する方法として、定盤2の加速度信号
を検出してXYステージ1を駆動する電力増幅器入力部
へフィードバックする方法が知られていた。例えば、文
献、精密工学会誌『空気浮上式高速XYステージの試作
(JSPE−52−10,’86−10−1713)』
には、定盤加速度を検出して制御系にフィードバックす
る構成が開示されている。同文献中には次のように記述
されている。
Conventionally, as a method of suppressing the influence of the disturbance f ext on the position (x 1 -x 2 ), a method of detecting the acceleration signal of the surface plate 2 and feeding it back to the power amplifier input section for driving the XY stage 1. Was known. For example, the literature, the journal of Japan Society for Precision Engineering, "Trial production of high-speed air levitation XY stage (JSPE-52-10, '86 -10-1713)".
Discloses a configuration in which the platen acceleration is detected and fed back to the control system. The following description is made in the document.

【0016】『ステージの移動体が横方向に高速移動す
ることにより、定盤の横揺れが起こる。(中略)したが
って、定盤の振動による相対的な位置ずれも加速度と比
例関係にあることから、定盤の横方向の変動を加速度計
で検出し、制御系にフィードバックすれば性能向上が図
れると考え、その回路を付加した。』上述のように、機
構の動きを物理的に捉えて定盤加速度フィードバックの
採用に至っている。
"The moving body of the stage moves laterally at a high speed to cause the surface plate to sway. (Omitted) Therefore, the relative displacement of the surface plate due to the vibration is also proportional to the acceleration. Therefore, it is possible to improve the performance by detecting the lateral fluctuation of the surface plate with an accelerometer and feeding it back to the control system. I thought and added the circuit. As described above, the movement of the mechanism is physically grasped and the platen acceleration feedback is adopted.

【0017】そこで、この例について検討する。まず、
力学モデルに基づき、数式を用いて陽に定盤加速度フィ
ードバックの効果を示す。その後、定盤加速度フィード
バック投入の効果を実験結果によって示す。再び、図6
を参照して、ここで定盤加速度フィードバック回路8が
機能した場合の定式化を行なう。まず、目標位置x0
外乱fext から位置(x1 −x2 )までの関係は次式の
ように表現される。
Therefore, this example will be examined. First,
Based on the dynamic model, the effect of the platen acceleration feedback is shown explicitly using mathematical formulas. After that, the experimental results show the effect of applying the platen acceleration feedback. Again, FIG.
With reference to, the formulation when the platen acceleration feedback circuit 8 functions will be performed here. First, the relationship from the target position x 0 and the disturbance f ext to the position (x 1 −x 2 ) is expressed by the following equation.

【0018】[0018]

【数7】 ただし、[Equation 7] However,

【0019】[0019]

【数8】 上式において、x0 =0とおいて外乱fext からの応答
だけを考えてみよう。外乱項の分子多項式において
[ ]内の式を抜き出すと
[Equation 8] Consider only the response from the disturbance f ext with x 0 = 0 in the above equation. Extracting the expression in [] in the numerator polynomial of the disturbance term

【0020】[0020]

【数9】 である。したがって、定盤加速度フィードバックゲイン
Aを次式のように設定すれば、外乱からの応答はかなり
低減させることが可能である。
[Equation 9] Is. Therefore, if the surface plate acceleration feedback gain A is set as in the following equation, the response from disturbance can be considerably reduced.

【0021】[0021]

【数10】 整理すると、定盤加速度フィードバックが無い場合とそ
のフィードバックゲインを最適設定すなわち、定盤加速
度フィードバックゲインAを(7)式に従って設定した
場合で外乱fext から位置(x1 −x2 )までの伝達関
数はそれぞれ以下のようになる。
[Equation 10] In summary, when there is no platen acceleration feedback and when its feedback gain is set optimally, that is, when the platen acceleration feedback gain A is set according to equation (7), the transmission from the disturbance f ext to the position (x 1 −x 2 ) The functions are as follows.

【0022】(1)定盤加速度フィードバックが無い場
(1) When there is no surface plate acceleration feedback
Combined

【0023】[0023]

【数11】 (2)定盤加速度フィードバックが最適に設定された場
[Equation 11] (2) When the platen acceleration feedback is optimally set
Combined

【0024】[0024]

【数12】 ここで、(8)と(9)式の分子多項式をみると、
(8)式の方が次数が1次低いことが了解される。ま
た、数値解析及び周波数応答の実測結果より、定盤加速
度フィードバックの有無で位置制御系の特性方程式の主
要な根がほとんど変化しないことが分かっている。した
がって、(8)と(9)式の分子多項式の次数を比較す
れば、定盤加速度フィードバックの最適設定を行うこと
によって、低周波数成分の応答が、同フィードバックの
無い場合に比較してより抑圧されることになる。この事
実を明確にするために、床振動xB から位置(x1 −x
2 )までの周波数応答を比較してみる。この指標は、床
の振動レベルが与えられたとき位置決め精度の判定基準
を満たすか否かが問題となるので重要である。まず、図
5の2自由度の力学モデルに床振動がどのように組み込
まれるのかを考える。同図において、斜線を施した部位
が床を表現しており、この振動をxB とすれば運動方程
式は
[Equation 12] Here, looking at the numerator polynomials of equations (8) and (9),
It is understood that the equation (8) has a lower order by one. Also, from the results of numerical analysis and measurement of frequency response, it is known that the main roots of the characteristic equation of the position control system hardly change depending on the presence or absence of the platen acceleration feedback. Therefore, if the orders of the numerator polynomials of equations (8) and (9) are compared, the response of the low frequency component is suppressed more effectively by the optimal setting of the platen acceleration feedback than in the case without the feedback. Will be done. To clarify this fact, from the floor vibration x B to the position (x 1 −x
Compare the frequency responses up to 2 ). This index is important because whether or not the criteria for positioning accuracy is satisfied when the vibration level of the floor is given becomes a problem. First, let us consider how floor vibration is incorporated into the two-degree-of-freedom dynamic model of FIG. In the figure, the shaded area represents the floor, and if this vibration is x B , the equation of motion is

【0025】[0025]

【数13】 となる。したがって、(1)式において、[Equation 13] Becomes Therefore, in equation (1),

【0026】[0026]

【数14】 と置き換えれば、位置制御が掛けられた場合における床
振動xB から位置(x1−x2 )までの伝達関数が得ら
れる。すなわち、次式となる。
[Equation 14] By replacing with, the transfer function from the floor vibration x B to the position (x 1 −x 2 ) when the position control is applied can be obtained. That is, the following equation is obtained.

【0027】[0027]

【数15】 そこで、上式を使った振動伝達率の周波数応答を図7に
示す。同図のFBはフィードバックの略である。同図に
おいて、斜線を施した部分が定盤加速度フィードバック
の最適設定によってより床振動の伝達が抑圧される周波
数領域である。明らかに、定盤加速度フィードバックの
投入によって、床振動はそれが無い場合に比較してより
抑圧される。なお、同図の見方であるが、定盤2を設置
した床振動のレベルが1[μm]ならば、0[dB]ラ
インがここに相当し、−20[dB]では床振動は10
0[nm]に、−40[dB]では10[nm]にまで
床振動は抑圧されて干渉計出力に伝達されること、つま
り床振動が減衰したのと同じことを意味する。
[Equation 15] Therefore, the frequency response of the vibration transmissibility using the above equation is shown in FIG. FB in the figure is an abbreviation for feedback. In the figure, the shaded portion is the frequency region where the transmission of floor vibration is further suppressed by the optimum setting of the surface plate acceleration feedback. Obviously, with the addition of surface plate acceleration feedback, floor vibrations are more suppressed than without it. In addition, as shown in the figure, if the floor vibration level on which the surface plate 2 is installed is 1 [μm], the 0 [dB] line corresponds to this, and at -20 [dB], the floor vibration is 10 [dB].
This means that the floor vibration is suppressed to 0 [nm] and to -10 [nm] at -40 [dB], and is transmitted to the output of the interferometer, that is, the same as when the floor vibration is attenuated.

【0028】次に、ステージのステップ応答波形の実測
結果を示して定盤加速度フィードバックの有無による比
較を行う。図8(a)の定盤加速度フィードバックが無
い場合で、ステージをステップ応答させたときの位置制
御系の偏差出力である。この場合、位置制御系の固有振
動数で過渡振動を経たのち定盤機構の固有振動数で長時
間にわたって振動を繰り返すという現象が生じている。
しかし、同図(b)の場合は、定盤加速度フィードバッ
クがほぼ最適に設定されており、ステップ応答の初期の
段階はやはり制御系の固有周波数で過渡振動が生じるも
のの、その後、定盤機構の固有周波数の振動は抑圧され
ている。まとめると、定盤加速度フィードバックの最適
設定により次のような利点が生じる。
Next, the actual measurement result of the step response waveform of the stage is shown to compare with the presence or absence of the platen acceleration feedback. 8A is the deviation output of the position control system when the stage is made to respond in step without the platen acceleration feedback shown in FIG. In this case, a phenomenon occurs in which transient vibration is generated at the natural frequency of the position control system, and then vibration is repeated at the natural frequency of the surface plate mechanism for a long time.
However, in the case of FIG. 7B, the platen acceleration feedback is set almost optimally, and although transient vibration still occurs at the natural frequency of the control system in the initial stage of the step response, after that, the platen mechanism Vibration of natural frequency is suppressed. In summary, the optimum setting of surface plate acceleration feedback has the following advantages.

【0029】(1)定盤に印加される外乱fext から位
置(x1 −x2 )までの応答が抑圧可能である。
(1) The response from the disturbance f ext applied to the surface plate to the position (x 1 -x 2 ) can be suppressed.

【0030】(2)床振動xB から位置(x1 −x2
までの応答も抑圧され得る。
(2) Position (x 1 -x 2 ) from floor vibration x B
Responses up to may also be suppressed.

【0031】(3)定盤に搭載されたステージ駆動の反
力による定盤の振動が位置決め時間に及ぼす影響を低減
できる。
(3) It is possible to reduce the influence of the vibration of the surface plate on the positioning time due to the reaction force of the stage drive mounted on the surface plate.

【0032】[0032]

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
述の従来例では最適設定を行なっても定盤加速度信号に
対する時定数Ta とドライバの時定数Td が有限値であ
ることに原因する限界がある。この限界は図9に示され
る。同図は時定数Ta とTd の両者を同時に現行の値か
ら1/2 、次に1/3 へと小さくしていったときの床振動x
B から位置(x1 −x 2 )までの振動伝達率である。こ
れらの時定数を小さくすると、徐々に振動伝達率を低下
させることができる。しかし、現実にはTa を小さくす
ることは極めて困難であった。何故ならば、定盤加速度
を検出するためには感度の高い、例えばサーボ式の加速
度センサを使用せねばならず、このセンサ自身の周波数
帯域は高々100[Hz]程度までしかないからであ
る。その上、加速度センサの電気的ノイズを低減させる
ためにセンサ自身の帯域よりも低い位置に折点周波数を
有するローパスフィルタを挿入せねばならなかった。つ
まり、周波数帯域を高い方へ広げることには限界があっ
た。したがって、時定数Ta が比較的大きいことに原因
して、外乱、床振動、そしてXYステージが駆動された
ときの反力に対する抑圧効果を向上させることが制限さ
れていた。
[Problems to be Solved by the Invention]
In the conventional example described above, the surface plate acceleration signal is
Time constant Ta And driver time constant Td Is a finite value
There are limits due to things. This limit is shown in Figure 9.
It The figure shows the time constant Ta And Td Are both current values at the same time?
Floor vibration when decreasing from 1 to 1/2 and then to 1/3 x
B Position (x1 -X 2 ) Is the vibration transmission rate up to. This
When these time constants are reduced, the vibration transmissibility gradually decreases.
Can be made But in reality Ta To reduce
It was extremely difficult to do. Because the platen acceleration
Sensitive to detect, for example, servo-type acceleration
Frequency sensor must be used and its frequency
Because the band is only up to about 100 [Hz]
It Moreover, it reduces the electrical noise of the acceleration sensor.
In order to set the break frequency at a position lower than the sensor's own band
I had to insert my own low-pass filter. One
Therefore, there is a limit to expanding the frequency band to the higher side.
It was Therefore, the time constant Ta Is relatively large
Then, disturbance, floor vibration, and XY stage were driven.
It is limited to improve the suppression effect against the reaction force when
It was

【0033】[0033]

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたものであり、低周波数域で高感度を
有する加速度センサと中域以上で高感度を有する加速度
センサを定盤にそれぞれ、設置し、最適設定を行ない、
さらに両者のゲインを一致させたあとに並列加算してそ
の出力をフィードバックする構成にする。このような構
成にすると、定盤加速度検出点から並列加算出力までの
周波数特性は高帯域にわたって平坦となる。すなわち、
従来の定盤加速度フィードバック回路8の時定数をさら
に小さくしたのと同じ効果を奏することが可能となる。
つまり、(7)式の最適設定を行ない、定盤加速度検出
点から電力増幅器の入力点までの周波数特性を高帯域に
わたって平坦とすれば、上記の課題は解決できるのであ
る。したがって、このようにすればこの時定数が大きい
ことに原因した外乱抑圧効果の制約を軽減して、さらに
大きな抑圧性能を取得できる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an acceleration sensor having a high sensitivity in a low frequency range and an acceleration sensor having a high sensitivity in a middle range or higher are used as a surface plate. Install each and set the optimum,
Further, the two gains are made to coincide with each other, and then the outputs are fed back by parallel addition. With such a configuration, the frequency characteristic from the surface plate acceleration detection point to the parallel addition output becomes flat over a high band. That is,
It is possible to achieve the same effect as when the time constant of the conventional surface plate acceleration feedback circuit 8 is further reduced.
That is, the above problem can be solved by making the optimum setting of the equation (7) and flattening the frequency characteristic from the surface plate acceleration detection point to the input point of the power amplifier over a high band. Therefore, in this way, the restriction of the disturbance suppression effect due to the large time constant can be reduced, and a larger suppression performance can be obtained.

【0034】[0034]

【実施例】図1は本発明に係る高帯域定盤加速度フィー
ドバック回路を備えた位置決め装置の一実施例である。
同図において、破線内の高帯域定盤加速度フィードバッ
ク回路9の伝達関数は
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an embodiment of a positioning device equipped with a high band surface plate acceleration feedback circuit according to the present invention.
In the figure, the transfer function of the high band surface plate acceleration feedback circuit 9 within the broken line is

【0035】[0035]

【数16】 である。ただし、 A:低周波数域で高感度を有する定盤加速度フィードバ
ック回路のゲイン[V/m/sec2 ] B:中域以上の周波数で高感度を有する定盤加速度フィ
ードバック回路のゲイン[V/m/sec2 ] である。両ゲインは一致させる必要があり、A=Bとな
るようにする。その為、図中ではBをAと置き換えて表
示している。加速度センサ自身の検出感度が異なってい
ても、加速度センサ以降に接続するアンプによってゲイ
ンを一致させることは困難ではない。さらに、Ta >>
b とおくと、(13)式は
[Equation 16] Is. However, A: Gain of the surface plate acceleration feedback circuit having high sensitivity in the low frequency range [V / m / sec 2 ] B: Gain of the surface plate acceleration feedback circuit having high sensitivity in the frequency range above the middle range [V / m / Sec 2 ]. Both gains must match, and A = B. Therefore, B is replaced with A in the figure. Even if the detection sensitivities of the acceleration sensors themselves are different, it is not difficult to match the gains with the amplifiers connected after the acceleration sensor. Furthermore, T a >>
If T b is given, equation (13) is

【0036】[0036]

【数17】 となる。この周波数応答の一例は図2に示す。すなわ
ち、破線で示すローパスフィルタ(以下、LPFと略
記)の周波数応答と一点鎖線で示すバンドパスフィルタ
(以下、BPFと略記)の出力を並列加算した場合に
は、実線で示すように高周波数に折点周波数を有するL
PF特性になる。つまり、従来の定盤加速度フィードバ
ック回路8では低周波に折点周波数を有する次式の伝達
関数で示されるLPF特性であった。
[Equation 17] Becomes An example of this frequency response is shown in FIG. That is, when the frequency response of the low-pass filter (hereinafter abbreviated as LPF) indicated by the broken line and the output of the band-pass filter (hereinafter abbreviated as BPF) indicated by the alternate long and short dash line are added in parallel, a high frequency is obtained as indicated by the solid line. L with break frequency
It has a PF characteristic. That is, the conventional platen acceleration feedback circuit 8 has the LPF characteristic represented by the transfer function of the following equation having the break frequency at the low frequency.

【0037】[0037]

【数18】 しかし、本発明によれば、定盤加速度からフィードバッ
ク印加点までのLPF特性は次式のように、より折点周
波数が高周波数に位置されたものとなる。すなわち、
[Equation 18] However, according to the present invention, the LPF characteristic from the platen acceleration to the feedback application point is such that the breakpoint frequency is located at a higher frequency as in the following equation. That is,

【0038】[0038]

【数19】 となる。したがって、従来、外乱fext から位置(x1
−x2 )までの伝達関数が
[Formula 19] Becomes Therefore, conventionally, from the disturbance f ext to the position (x 1
The transfer function up to −x 2 )

【0039】[0039]

【数20】 であったものが、伝達関数の形は同様であるが、上式の
a をTb と置き換えたものになる。しかし、この時定
数が変化しても分母多項式の主要な根はほとんど変化し
ないことがわかっている。一方、分子多項式は
[Equation 20] However, the form of the transfer function is the same, but T a in the above equation is replaced with T b . However, it is known that the main roots of the denominator polynomial hardly change even if this time constant changes. On the other hand, the numerator polynomial is

【0040】[0040]

【数21】 と変化するので、明らかにsにかかる係数は小さくな
る。したがって、高帯域定盤加速度フィードバック回路
9と成すことによって、床振動xB からの影響がより抑
圧されることになる。もちろん、外乱fext からの応答
もより抑圧されることは言うまでもない。
[Equation 21] Therefore, the coefficient for s is obviously small. Therefore, the high band surface plate acceleration feedback circuit 9 further suppresses the influence from the floor vibration x B. Of course, it goes without saying that the response from the disturbance f ext is also suppressed.

【0041】[0041]

【他の実施例】本発明の位置決め装置の中で使用される
高帯域定盤加速度フィードバック回路9は、低周波域で
高感度を有するLPF特性の回路出力と中帯域以上で検
出高感度を有するBPF特性の回路出力とをゲインを一
致させて並列加算する構成が採用されている。この中
で、LPFは1次遅れの伝点周波数以下及び高域折点周
波数以上の特性は1次の周波数特性であった。しかし、
LPF,BPFともに高次のフィルタでもよいことは言
うまでもない。
Other Embodiments The high band surface plate acceleration feedback circuit 9 used in the positioning apparatus of the present invention has a LPF characteristic circuit output having high sensitivity in the low frequency range and high detection sensitivity in the middle band or higher. A configuration is adopted in which the circuit output of the BPF characteristic is matched in gain and added in parallel. Among them, the LPF had a first-order frequency characteristic below the transmission point frequency of the first-order lag and above the high-frequency break frequency. But,
It goes without saying that both LPF and BPF may be high-order filters.

【0042】また、本発明では位置制御系を構成したと
きにおいて高帯域定盤加速度フィードバック回路9を付
加したときの効果を示した。しかし、図3に示すように
速度制御系を構成してこの高帯域定盤加速度フィードバ
ック回路9を付加した場合も外乱や床振動からの影響を
抑圧することが可能である。なお、図中の10は速度検
出変換手段を、11はPI補償器を示す。位置決めの前
段として、この速度制御のモードを用いることがある。
そのため、この速度制御も位置決め制御に含めて考える
ことができる。
Further, in the present invention, the effect of adding the high band surface plate acceleration feedback circuit 9 when the position control system is constructed has been shown. However, even when the speed control system is configured as shown in FIG. 3 and the high band surface plate acceleration feedback circuit 9 is added, it is possible to suppress the influence from disturbance or floor vibration. In the figure, 10 is a speed detection conversion means, and 11 is a PI compensator. This speed control mode may be used as a preceding stage of positioning.
Therefore, this speed control can be considered to be included in the positioning control.

【0043】さらに、図4に示すように制御対象3だけ
にこの高帯域定盤加速度フィードバック回路9を付加し
た場合も外乱や床振動からの影響を抑圧できる。この証
明は簡単であり、(1)式に基づいて定式化を行えば容
易に分かる。そのため、この制御を位置決め制御の位置
制御又は速度制御のマイナーループとして構成できる。
Further, as shown in FIG. 4, even when the high band surface plate acceleration feedback circuit 9 is added only to the controlled object 3, the influence from disturbance or floor vibration can be suppressed. This proof is simple and can be easily understood by formulating it based on the equation (1). Therefore, this control can be configured as a position control for position control or a minor loop for speed control.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、低周波
数領域で高感度を有する加速度センサをLPFに通した
出力と、中帯域以上で高感度を有する加速度センサの出
力をBPFに通した出力とをゲインを一致させて加算し
最適設定された高帯域定盤加速度フィードバック回路9
を付加することにより、定盤加速度から加算出力までの
周波数特性が高周波に折点を有するLPF特性となる。
したがって、定盤加速度信号に対するLPFの時定数が
大きいことに原因して外乱あるいは床振動から干渉計出
力までの影響の抑圧効果が制限されてことが回避可能と
なる。すなわち、外乱fext 、床振動xB 、そしてステ
ージ自身の駆動による反力が干渉計出力に及ぼす影響
を、従来の単に定盤加速度フィードバック回路8を付加
したときと比較して強力に抑圧できるという効果があ
る。したがって、位置決め時間の短縮及び位置決め精度
の向上も可能という効果がある。
As described above, according to the present invention, the output of the acceleration sensor having high sensitivity in the low frequency range is passed through the LPF and the output of the acceleration sensor having high sensitivity in the middle band or higher is passed through the BPF. The high-band surface plate acceleration feedback circuit 9 that is optimally set by adding the output to
By adding, the frequency characteristic from the surface plate acceleration to the addition output becomes an LPF characteristic having a break at a high frequency.
Therefore, it is possible to avoid that the effect of suppressing the influence from disturbance or floor vibration to the output of the interferometer is limited due to the large time constant of the LPF with respect to the surface plate acceleration signal. That is, the influence of the disturbance f ext , the floor vibration x B , and the reaction force due to the driving of the stage itself on the output of the interferometer can be strongly suppressed as compared with the conventional case where the surface plate acceleration feedback circuit 8 is simply added. effective. Therefore, the positioning time can be shortened and the positioning accuracy can be improved.

【0045】ただし、加速度信号に対するLPFの時定
数の低下は目標位置から干渉計出力までの応答における
高周波域のゲイン上昇をもたらす。したがって、制御対
象3にモデル化はされていない高周波ダイナミクス、す
なわち機械共振などが存在する場合には、これを刺激し
て位置決め特性を劣化させるという問題が生じることに
注意せねばならない。
However, the decrease of the time constant of the LPF with respect to the acceleration signal causes the increase of the gain in the high frequency range in the response from the target position to the output of the interferometer. Therefore, it should be noted that when the controlled object 3 has a high-frequency dynamics that is not modeled, that is, mechanical resonance or the like, there arises a problem of stimulating the high-frequency dynamics to deteriorate the positioning characteristic.

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

【図1】本発明の一実施例に係る定盤加速度フィードバ
ック回路を備えた位置決め装置の構成を示す制御ブロッ
ク図、
FIG. 1 is a control block diagram showing a configuration of a positioning device including a surface plate acceleration feedback circuit according to an embodiment of the present invention,

【図2】LPFとBPFの出力とをゲインを一致させて
並列加算した場合の周波数特性を示す図、
FIG. 2 is a diagram showing a frequency characteristic when the gains of the LPF and the output of the BPF are made to coincide with each other and the outputs are added in parallel;

【図3】高帯域定盤加速度フィードバック回路を備えた
速度制御系のブロック図、
FIG. 3 is a block diagram of a speed control system including a high band surface plate acceleration feedback circuit,

【図4】高帯域定盤加速度フィードバック回路を備えた
加速度マイナーループのブロック図、
FIG. 4 is a block diagram of an acceleration minor loop including a high band surface plate acceleration feedback circuit,

【図5】定盤に搭載されたXYステージの水平1軸方向
の力学モデルを示す図、
FIG. 5 is a diagram showing a dynamic model of a horizontal uniaxial direction of an XY stage mounted on a surface plate;

【図6】位置制御系を構成したときの制御ブロック図、FIG. 6 is a control block diagram when a position control system is configured,

【図7】床振動から干渉計出力までの振動伝達率を示す
周波数特性、
FIG. 7 is a frequency characteristic showing vibration transmissibility from floor vibration to interferometer output,

【図8】定盤加速度フィードバックの有無によるステー
ジのステップ応答波形、
FIG. 8 is a step response waveform of a stage depending on the presence or absence of surface plate acceleration feedback,

【図9】時定数Ta ,Td を小さくした場合の床振動か
ら干渉計出力までの振動伝達率を示す周波数特性、であ
る。
FIG. 9 is a frequency characteristic showing a vibration transmissibility from floor vibration to interferometer output when time constants T a and T d are reduced.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 XYステージ 2 定盤 3 制御対象 4 位置検出変換手段 5 特性改善用の補償器 6 電力増幅器 7 推力定数 8 定盤加速度フィードバック回路 9 高帯域定盤加速度フィードバック回路 10 速度検出変換手段 11 PI補償器 1 XY stage 2 surface plate 3 control target 4 position detection conversion means 5 compensator for characteristic improvement 6 power amplifier 7 thrust constant 8 surface plate acceleration feedback circuit 9 high band surface plate acceleration feedback circuit 10 speed detection conversion means 11 PI compensator

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 床面上に設置された除振装置である定盤
と、該定盤に搭載されるXYステージとからなるXYス
テージの位置決め装置であって、XYステージの位置に
関する信号を検出する手段と床面に対する定盤の加速度
を検出する手段とを設けて、XYステージの位置制御を
フィードバック制御で行う制御系を構成するようにし、
指令信号とフィードバック信号との差信号に基づく信号
に応じてXYステージを位置決め駆動する電力増幅器を
該制御系に含め、さらに上記の定盤の加速度を検出する
手段よりの信号を上記の差信号に基づく信号と合せて上
記電力増幅器へ入力するようにしたものにおいて、上記
の定盤の加速度を検出した信号を最適設定された高帯域
定盤加速度フィードバック回路を通して上記電力増幅器
へ入力するようにしたことを特徴とするXYステージの
位置決め装置。
1. A positioning device for an XY stage, comprising a surface plate, which is a vibration isolation device installed on a floor surface, and an XY stage, which is mounted on the surface plate, and detects a signal relating to the position of the XY stage. And a means for detecting the acceleration of the surface plate with respect to the floor surface to form a control system for performing position control of the XY stage by feedback control.
A power amplifier for positioning and driving the XY stage according to a signal based on a difference signal between the command signal and the feedback signal is included in the control system, and a signal from the means for detecting the acceleration of the surface plate is used as the difference signal. In addition to a signal based on which the signal is input to the power amplifier, the signal for detecting the acceleration of the surface plate is input to the power amplifier through an optimally set high-band surface plate acceleration feedback circuit. Positioning device for XY stage.
【請求項2】 床面上に設置された除振装置である定盤
と、該定盤に搭載されるXYステージとからなるXYス
テージの位置決め装置であって、XYステージの速度に
関する信号を検出する手段と床面に対する定盤の加速度
を検出する手段とを設けて、XYステージの速度制御を
フィードバック制御で行う制御系を構成するようにし、
指令信号とフィードバック信号との差信号に基づく信号
に応じてXYステージを速度制御するために駆動する電
力増幅器を該制御系に含め、さらに上記の定盤の加速度
を検出する手段よりの信号を上記の差信号に基づく信号
と合せて上記電力増幅器へ入力するようにしたものにお
いて、上記の定盤の加速度を検出した信号を最適設定さ
れた高帯域定盤加速度フィードバック回路を通して上記
電力増幅器へ入力するようにしたことを特徴とする速度
制御のモードを有するXYステージの位置決め装置。
2. An XY stage positioning device comprising a surface plate, which is a vibration isolation device installed on the floor surface, and an XY stage, which is mounted on the surface plate, and detects a signal relating to the speed of the XY stage. Means and a means for detecting the acceleration of the surface plate with respect to the floor surface are provided to form a control system for performing feedback control of the speed control of the XY stage.
The control system includes a power amplifier for driving the XY stage to control the speed of the XY stage in response to a signal based on the difference signal between the command signal and the feedback signal, and the signal from the means for detecting the acceleration of the surface plate is added to the above In the case where the signal is input to the power amplifier together with the signal based on the difference signal of, the signal detecting the acceleration of the surface plate is input to the power amplifier through the optimally set high band surface plate acceleration feedback circuit. An XY stage positioning apparatus having a speed control mode characterized by the above.
【請求項3】 最適設定された高帯域定盤加速度フィー
ドバック回路は、ローパスフィルタ特性の加速度センサ
出力とバンドパス特性の加速度センサ出力とをゲインを
一致させて加算したフィードバック回路であることを特
徴とした請求項1又は請求項2記載のXYステージの位
置決め装置。
3. The optimally set high-band surface plate acceleration feedback circuit is a feedback circuit in which an output of an acceleration sensor having a low-pass filter characteristic and an output of an acceleration sensor having a band-pass characteristic are matched and added. The XY stage positioning device according to claim 1 or 2.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08179832A (en) * 1994-08-30 1996-07-12 Nuovo Pignone Spa Automatic positioning device
US6876168B1 (en) * 1999-05-20 2005-04-05 National University Of Singapore Disturbance attenuation in a precision servomechanism by a frequency-separated acceleration soft sensor
JP2008087146A (en) * 2006-10-05 2008-04-17 Jtekt Corp Processing device
US10261520B2 (en) 2015-02-04 2019-04-16 Mitsubishi Electric Corporation Motor controller and industrial machine
TWI716139B (en) * 2019-10-05 2021-01-11 國立成功大學 Multi-band accelerometer

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