KR20050016029A

KR20050016029A - 스테이지 장치용 반력 처리 시스템

Info

Publication number: KR20050016029A
Application number: KR1020040059486A
Authority: KR
Inventors: 니시모토히데오; 가네코마코토
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2005-02-21
Also published as: JP2005057876A; KR100659479B1; JP3940388B2; TWI316588B; CN100352147C; TW200517600A; CN1581651A

Abstract

가동부가 어느 위치에 있어서도 안정한 높은 위치결정 성능이 얻어지는 스테이지 장치용 반력 처리 시스템을 제공한다.

제진수단을 통하여 고정바닥 위에 설치된 베이스(20)와, 베이스 위에서 리니어 모터(26)에 의하여 적어도 1축 방향으로 움직일 수 있도록 구성된 X 슬라이더(25)를 구비한 스테이지 장치에 있어서 X 슬라이더가 구동됨으로써 발생하는 반력에 기인하는 베이스의 진동을 억제하기 위한 반력 처리 시스템으로서, 고정바닥 측에 배치되어 베이스에 대하여 상기 반력을 없애는 방향으로 추력을 주기 위한 복수의 반력 처리 액츄에이터(21-1 ~ 21-4)와, 상기 리니어 모터에 대하여 추력 지령치(F)를 줌과 함께, 상기 복수의 반력 처리 액츄에이터에 대하여는 상기 추력 지령치(F)를 게인이 가변인 게인 조정부(15)를 통한 다음에 조정된 추력 지령치를 주는 제어계(10)를 구비하였다.

Description

스테이지 장치용 반력 처리 시스템{A reaction force treatment system for stage apparatus}

본 발명은 높은 정밀도의 위치결정이 요구되는 스테이지 장치에 관한 것으로서, 특히 리니어 모터 등을 구동원으로 하는 스테이지의 구동에 의하여 생기는 반력(反力; reaction force)에 기인하는 위치결정 정밀도의 열화를 방지하는 스테이지 장치용 반력 처리 시스템에 관한 것이다.

높은 정밀도의 위치결정이 요구되는 스테이지 장치의 구동원에는 리니어 모터가 많이 사용되고 있다. 그리고, 가동(可動)부로서의 스테이지가 놓이는 구조체(베이스)는, 스테이지 장치가 설치되는 바닥으로부터의 진동을 제진(除振)하기 위하여 제진수단을 통하여 바닥에 설치된다. 이로 인하여, 구조체는 매우 불안정한 상태에 있어서, 가동부가 구동력을 받아서 구동될 때에는, 구동 방향에 대하여 반대 방향으로 구동력과 같은 크기의 반력이 생긴다. 이 반력이 존재하는 상태에서는, 구조체가 진동하고, 그 진동이 스테이지에 전해지기 때문에, 스테이지의 위치결정을 높은 정밀도로 행할 수가 없다.

이로 인하여, 스테이지의 위치결정을 정밀도 좋게 행하기 위해서는, 반력을 없애기 위한 반력 처리를 행할 필요가 있다.

도 6은, 종래의 진동제어장치의 개략도를 나타낸 것이다. 도 6에 나타나 있는 바와 같이, 진동제어장치(50)는, 대략 구동장치(57)와, 제어장치(60)와, 적분보상기(65)로 구성되어 있다. 구동장치(57)는, 대략 액츄에이터(51)와, 타겟(55)과, 변위센서(56)와, 가속도 센서(59)와, 바닥판(58)에 의하여 구성되어 있다.

액츄에이터(51)는, 1쌍의 리니어 모터(52, 53)를 가지고 있다. 각 리니어 모터(52, 53)는, 영구자석을 가지는 리니어 모터 가동자(52a, 53a)와, 코일을 가지는 리니어 모터 고정자(52b, 53b)로 이루어진다. 리니어 모터 가동자(52a, 53a)는 연결판(54)을 사이에 두고 형성되어 있다. 리니어 모터 가동자(52a, 53a)는, 소정의 위치까지 이동하여 타겟(55)의 위치결정을 행하기 위한 것이다. 타겟(55)은, 리니어 모터 가동자(52a)에 형성되어 있다. 변위센서(56)는, 타겟(55)의 검출면을 계측하여, 위치보상기(61)에 계측결과를 출력한다. 가속도 센서(59)는, 리니어 모터 고정자(52b, 53b)를 지지하는 바닥판(58)에 장착되어 있어서, 구조체나 바닥의 진동을 계측하여 적분보상기(65)에 계측결과를 출력한다.

제어장치(60)는, 대략 위치보상기(61)와, 전류앰프(62)와, 유도전압 연산기(63)와, 게인 보상기(64)에 의하여 구성되어 있다. 제어장치(60)는, 적분보상기(65)에 입력된 진동치와, 변위센서(56)로부터의 변위값에 기하여, 적절한 연산처리를 행하여, 전류앰프(62)를 여자하여, 리니어 모터 고정자(52b, 53b)의 코일에 전류를 통하게 함으로써, 리니어 모터 가동자(52a, 53a)를 소정의 장소에 정위치시킨다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

[특허문헌 1] 일본국 특허공개 2003-9494호 공보

그러나, 종래의 진동제어장치는, 위치결정을 행할 때에 사용하는 리니어 모터 가동자(52a, 53a)를, 반력 처리할 때에 이용하고 있기 때문에, 리니어 모터 가동자(52a, 53a)의 구동의 영향을 받아서, 충분한 반력 처리를 행할 수가 없다. 또한, 구조체의 진동을 충분히 제어시킬 수가 없기 때문에, 정밀도 좋게 위치결정을 행할 수가 없다는 문제가 있었다. 또한, 종래의 진동제어장치는, 변위센서(56), 가속도 센서(59), 유도전압 연산기(63) 및 적분보상기(65)가 필요하기 때문에, 진동제어장치의 코스트가 높아짐과 함께, 장치 자체가 커진다는 문제가 있었다.

그래서, 본 발명의 과제는, 반력 처리 기구를 구비한 스테이지 장치에 있어서 가동부가 어느 위치에 있어서도 안정된 높은 위치결정 성능이 얻어지는 스테이지 장치용의 반력 처리 시스템을 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 제진(除振)수단을 통하여 고정바닥 위에 설치된 구조체와, 이 구조체 위에서 구동원에 의하여 적어도 1축 방향으로 움직일 수 있도록 구성된 가동(可動)부를 구비한 스테이지 장치에 있어서 상기 가동부가 구동됨으로써 발생하는 반력에 기인하는 상기 구조체의 진동을 억제하기 위한 반력 처리 시스템에 있어서, 상기 고정바닥 측에 설치되어 상기 구조체에 대하여 상기 반력을 지우는 방향으로 추력(推力; thrust)을 주기 위한 추력 발생수단과, 상기 구동원에 대하여 추력 지령치를 줌과 동시에, 상기 추력 발생수단에 대하여는 상기 추력 지령치를 게인(gain)이 가변인 게인 조정수단을 통한 다음 조정된 추력 지령치를 주는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 반력 처리 시스템에 있어서는, 상기 게인 조정수단은, 상기 가동부가 가속(加速) 혹은 감속(減速) 중인 경우에는 상기 게인으로서 게인 A1을 선택하고, 정속(定速) 주행 중인 경우에는 상기 게인으로서 게인 A2(단, A1 > A2)를 선택하는 제1 조정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 반력 처리 시스템에 있어서는 또한, 상기 가동부의 위치를 검출하는 위치검출수단을 구비하고, 상기 가동부는 기준점을 경계로 한 스트로크 범위가 미리 설정되어 있고, 상기 게인 조정수단은 더욱, 상기 게인 A1이 선택되어 있을 때, 상기 가동부의 위치에 따라서 상기 게인 A1을 가변으로 하는 제2 조정부를 포함하고, 이 제2 조정부는, 상기 기준점을 경계로 한 상기 가동부의 플러스(정(正))측에서는 제1 기울기를 가지는 제1 직선에 기하여 상기 게인 A1을 변화시킴과 함께 변화된 게인을 상기 추력 지령치에 곱셈하여 출력하는 한편, 상기 기준점을 경계로 한 상기 가동부의 마이너스(부(負))측에서는 제2 기울기를 가지는 제2 직선에 기하여 상기 게인 A1을 변화시킴과 함께 변화된 게인을 상기 추력 지령치에 곱셈하여 출력하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 구동원은 리니어 모터이고, 상기 추력 발생수단은 리니어 모터, 보이스 코일 모터, 서보 모터의 어느 하나가 사용된다.

본 반력 처리 시스템에 있어서는 또한, 상기 가동부가 구동될 때에 힘이 가해지는 제1 위치로부터 상기 가동부의 중심(重心; 무게중심)까지의 연직 방향에 관한 제1 거리와, 상기 제1 위치로부터 상기 추력 발생수단이 구동될 때에 힘이 가해지는 제2 위치까지의 연직 방향에 관한 제2 거리가 같아지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 반력 처리 시스템에 있어서는 또한, 상기 추력 발생수단으로서, 상기 구조체에 적어도 2개의 추력 발생부를 구비하고, 상기 구동원의 추력이 F인 경우, 상기 제2 조정부는, 상기 적어도 2개의 추력 발생부에 대하여, 상기 가동부의 중심(重心) 위치에 따른 상기 추력(F)의 배분을 행하여 배분된 추력 지령치를 상기 조정된 추력 지령치로서 출력하는 것을 특징으로 한다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

본 발명자들은 앞서 서술한 종래의 진동제어장치의 문제점을 해소한 진동제어장치를 제안하였다. 도 4, 도 5를 참조하여, 이 진동제어장치에 대하여 설명한다.

도 4는, 진동제어장치의 개략도를 나타낸 것이고, 도 5는, 도 4에 나타낸 I 방향에서의 반력 처리 액츄에이터의 개략도이다. 도 4에 나타낸 Y1, Y2 방향은 연직 방향을 나타내고 있고, X1, X2 방향은 Y1, Y2 방향에 직교하는 방향을 나타내고 있다.

도 4에 있어서, 진동제어장치(30)는, 가동장치(41)와, 지지부재(36)와, 반력 처리 액츄에이터(42)와, 제어수단(43)과, 게인 보상기(44)에 의하여 구성되어 있다.

먼저, 가동장치(41)의 구성에 대하여 설명한다. 가동장치(41)는, 제진수단(32A, 32B)과, 베이스(33)와, 구동 스테이지(35)에 의하여 구성되어 있다. 구조체인 베이스(33)는 돌기부(34)를 가지며, 바닥(31) 위에 제진수단(32A, 32B)을 통하여 설치되어 있다. 제진수단(32A)은, 바닥으로부터의 Y1, Y2 방향의 진동을 제진하기 위한 것이고, 제진수단(32B)은 바닥으로부터의 X1, X2 방향의 진동을 제진하기 위한 것이다. 제진수단(32A, 32B)은, 스프링과 대쉬포트(dash pot)의 조합에 의한 패시브 제진기능을 가진 패시브(passive) 제진장치이다. 이 패시브 제진장치는, 판 형상 혹은 코일 형상의 스프링재에 의한 스프링과 대쉬포트의 조합, 또는 공기 스프링과 대쉬포트의 조합, 고무재 단독 등 다양한 형태가 있다.

베이스(33) 위에는, 도시하지 않은 리니어 모터를 구동원으로 하는 가동부인 구동 스테이지(35)가 X1, X2 방향으로 이동 가능한 상태로 형성되어 있다. 도 4 중에 나타낸 35A는, 가동부인 구동 스테이지(35)의 중심(重心; 무게중심)(이하, 중심(35A)라고 부른다)의 위치를 나타내고 있고, 제1 위치인 35B는 가동부인 구동 스테이지(35)를 구동시켰을 때에 힘이 가해지는 위치(이하, 위치(35B)라고 부른다)를 나타내고 있다. 또한, 도 4 중에 나타낸 제1 거리인 H1은, 중심(35A)으로부터 위치(35B)까지의 연직 방향(Y1, Y2 방향)에 관한 거리(이하, 거리(H1)라고 부른다)를 나타내고 있다.

반력 처리 수단은, 반력 처리 액츄에이터(42)와, 제어수단(43)과, 게인 보상기(44)에 의하여 구성되어 있다. 이하, 반력 처리 액츄에이터(42)에 대하여 설명한다. 그리고, 도 4 중에 표시한 제2 위치인 38B는, 리니어 모터 고정자(37)의 코일에 통전하여 리니어 모터 가동자(38)를 구동시켰을 때에 힘이 가해지는 위치(이하, 위치(38B)라고 부른다)를 나타내고 있고, 제2 거리인 H2는, 위치(38B)로부터 위치(35B)까지의 연직 방향에 관한 거리(이하, 거리(H2)라고 부른다)를 나타내고 있다.

반력 처리 액츄에이터(42)는, 리니어 모터 고정자(37)와, 리니어 모터 가동자(38)에 의하여 구성되어 있다. 반력 처리 액츄에이터(42)는, 구동 스테이지(35)가 구동되었을 때에, 베이스(33)를 구동 방향으로 직접 밀어서, 구동 방향과는 반대의 방향으로 발생하는 반력을 없애서, 베이스(33)의 진동을 억제하기 위한 것이다.

리니어 모터 고정자(37)는, 바닥(31)과 일체로 형성된 지지부재(36)의 도 4 중의 상방에 형성되어 있다. 리니어 모터 가동자(38)는, 리니어 모터 고정자(37)에 대하여 구동 가능한 상태로, 리니어 모터 고정자(37)에 조합되어 있다. 또한, 리니어 모터 고정자(37) 및 리니어 모터 가동자(38)는, 위치(38B)로부터 위치(35B)까지의 연직 방향(Y1, Y2 방향)에 관한 거리(H2)가, 거리(H1)와 같게 되는 위치에 형성되어 있다.

반력을 없애기 위해서는, 구동 스테이지(35)의 모멘트(M1)와, 베이스(33)의 모멘트(M2)가 서로 상쇄되면 된다. 여기서, 거리(H2)가 거리(H1)와 같게 되는 구성에 있어서, 구동 스테이지(35)를 구동시켰을 때의 구동 스테이지(35)의 모멘트(M1)와, 베이스(33)의 모멘트(M2)의 관계에 대하여 설명한다. 그리고, 도 4 중에 나타낸 33A는 구조체인 베이스(33)의 중심(重心)(이하, 중심(33A)이라고 부른다)을 나타내고 있고, H3은 위치(35B)로부터 중심(33A)까지의 연직 방향(Y1, Y2 방향)의 거리(이하, 거리(H3)라고 부른다)를 나타내고 있다.

도 4 중의 좌측 방향으로 움직이는 힘을 플러스(정(正)) 값으로 하고, 도 4 중의 우측 방향으로 움직이는 힘을 마이너스(부(負)) 값으로 한다. F1은 구동 스테이지(35)가 구동되었을 때에 발생하는 구동력(이하, 구동력(F1)이라고 부른다), -F1은 구동 스테이지(35)가 구동되었을 때에 발생하는 반력(이하, 반력(-F1)이라고 부른다), F2는 반력 처리 액츄에이터(42)에 의한 반력 처리를 행하기 위한 구동력(이하, 반력 처리용 구동력(F2)이라고 부른다)을 나타내고 있다.

하기의 수학식 1에 구동 스테이지(35)의 모멘트(M1), 하기의 수학식 2에 베이스(33)의 모멘트(M2)를 각각 나타낸다.

M1 = F1 × H1

M2 = -F1 × H3 ＋ F2 × (H2 ＋ H3)

구동 스테이지(35)는, 구동 스테이지(35)가 구동될 때의 구동력(F1)의 영향을 받기 때문에, 모멘트(M1)는 상기 수학식 1로 표시된다. 베이스(33)는, 구동 스테이지(35)가 구동되었을 때에 발생하는 반력(-F1)과, 반력 처리 액츄에이터(42)에 의한 반력 처리용 구동력(F2)의 영향을 받기 때문에, 모멘트(M2)는 상기 수학식 2로 표시된다. 반력 처리용 구동력(F2)은, 구동력(F1)과 같은 크기의 힘을 베이스(33)에 가하기 때문에, F1 = F2 의 관계가 성립한다.

따라서, 상기 수학식 2의 F2에 F1을 대입함으로써, 상기 수학식 2는 하기의 수학식 3과 같이 표시할 수가 있다.

M2 = F1 × H2

반력(-F1)을 반력 처리하기 위해서는, 모멘트 M1과 모멘트 M2가 서로 상쇄되면 되므로, 하기 수학식 4에 나타낸 관계가 성립하면 된다. 즉, 상기 수학식 1에서 상기 수학식 2를 뺄셈한 결과가 0이면, 반력(-F1)을 반력 처리할 수가 있다.

M1 - M2 = 0

상기 수학식 4에 상기 수학식 1 및 상기 수학식 3을 대입하면, 하기 수학식 5가 되어, H1 = H2의 경우에 반력(-F1)을 반력 처리할 수가 있다는 것을 알 수 있다.

F1 × (H1 - H2) = 0

따라서, 앞서 서술한 바와 같이, H1 = H2 인 관계가 성립하게 되는 연직 방향(Y1, Y2 방향)의 위치에 반력 처리 액츄에이터(42)를 형성함으로써, 구동 스테이지(35)가 구동될 때에 발생하는 반력(-F1)을 반력 처리 액츄에이터(42)에 의하여 반력 처리할 수가 있다.

하기 수학식 6은, 힘을 나타내는 식이다. F는 힘, m은 질량(무게), a는 가속도를 각각 나타내고 있다.

F = m·a

또한, 일반적으로 진동제어장치(30)의 베이스(33)의 무게는, 구동 스테이지(35)의 무게와 비교하여 상당히 무겁다. 상기 수학식 6으로부터 F가 일정한 경우, m이 크면 클수록 필요하게 되는 가속도 a는 작아도 된다. 따라서, 반력 처리 액츄에이터(42)는 베이스(33)에 작은 가속도를 인가함으로써, 반력(-F1)의 반력 처리를 행하여, 베이스(33)의 진동을 억제할 수가 있다.

다음으로, 도 4를 참조하여, 제어수단(43)에 대하여 설명한다. 제어수단(43)은, 구동 스테이지(35)와 게인 보상기(44)에 동일한 구동신호를 출력 가능한 상태로 접속되어 있다. 제어수단(43)은, 구동 지령치에만 기하여 구동신호를 생성하고, 반력 처리 액츄에이터(42) 및 구동 스테이지(35)에 대하여 동일한 구동신호를 출력하여, 반력 처리 액추에이터(42) 및 구동 스테이지(35)의 구동에 관한 제어를 행하기 위한 것이다.

게인 보상기(44)는, 제어수단(43)으로부터의 구동신호를 보상하기 위한 것으로서, 보상된 구동신호는 리니어 모터 고정자(37)에 출력된다. 리니어 모터 고정자(37)는 보상된 구동신호에 기하여 리니어 모터 가동자(38)를 구동시킨다.

이와 같이, 구동 지령치(추력 지령치)에만 기하여 구동신호를 생성하는 제어수단(43)을 설치함으로써, 진동제어장치(30)의 구성을 간략화할 수가 있어서, 진동제어장치(30)의 크기를 작게 할 수가 있다.

이상과 같이, 구동 스테이지(35)의 구동 방향으로, 베이스(33)를 직접 밀어서 반력 처리를 행하는 반력 처리 액츄에이터(42)를, H1 = H2가 되는 연직 방향(Y1, Y2 방향) 위치에 설치함으로써, 구동 스테이지(35)가 구동되었을 때에 발생하는 반력(-F1)을, 구동 스테이지(35)의 영향을 받지 않고, 반력 처리 액츄에이터(42)에 의하여 베이스(33)의 진동을 충분히 억제하여, 구동 스테이지(35)의 위치결정을 정밀도 좋게 행할 수가 있다.

원리적으로는, 상기와 같이, 리니어 모터에 의하여 구동 스테이지(35)가 구동될 때와 동일한 추력 지령치를 반력 처리 기구에 주면 힘이 상쇄되어 베이스(33)의 진동은 억제될 터이다. 그러나, 실제는 케이블 베어(cableveyor)의 텐션 등에 의하여 성능이 변하게 된다. 케이블 베어란, 가동부인 구동 스테이지(35)와 고정부 사이를 신호선으로 연결할 필요가 있고, 이 신호선을 구성하고 있는 가요(可撓)성의 케이블을 말한다. 이 케이블 베어는, 가동부의 위치에 의하여 텐션이 변화되므로, 상기 진동제어만으로는 가동부의 위치에 의하여 위치결정 성능에도 편차가 생긴다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 상기의 점을 해소한 본 발명에 의한 스테이지 장치용 반력 처리 시스템의 실시형태에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 의한 반력 처리 시스템은, 도 4, 도 5에서 설명한 진동제어장치의 원리를 채용하고 있는데, 도 4에서 설명한 반력 처리 액츄에이터(추력 발생부)로서 리니어 모터, 보이스 코일 모터, 서보 모터의 어느 하나를 n개(n은 2 이상의 정수(整數)로서, 여기서는 n = 4) 사용한다. 즉, 도 2에 나타내는 바와 같이, 베이스(구조체)(20)와, 이 베이스(20) 위를 X축 방향으로 구동되는 X 슬라이더(구동 스테이지)(25)를 구비하는 스테이지 장치의 경우, 4개의 반력 처리 액츄에이터(21-1 ~ 21-4)가 베이스(20)의 4개의 코너부에 인접하는 개소에 설치된다. 그리고, 반력 처리 액츄에이터가 2개인 경우, 반력 처리 액츄에이터(21-1와 21-2) 사이 및 반력 처리 액츄에이터(21-3과 21-4) 사이에 설치되면 된다.

도 4에서 설명한 바와 같이, 반력 처리 액츄에이터(21-1 ~ 21-4)는 베이스(20)에 대하여 X 슬라이더(25)의 구동시에 발생하는 반력을 없애는 방향으로 추력을 부여하기 위한 것으로서, 각각 고정바닥에 지지부재를 통하여 설치된다. 한편, 베이스(20)는, X축 방향, Y축 방향으로 작용하는 제진수단을 통하여 고정바닥에 설치된다. X 슬라이더(25)의 구동원으로는, 예컨대 리니어 모터가 사용된다. 리니어 모터의 경우에는, 말할 것도 없이, 예컨대 리니어 스케일과 센서 헤드의 조합에 의한 위치센서가 조합되는데, 위치센서는 이와 같은 것에 한하지 않는다. 그리고, X 슬라이더(25)는 기준점을 경계로 한 스트로크 범위가 미리 설정되어 있다.

상기와 같은 4개의 반력 처리 액츄에이터(21-1 ~ 21-4)용 드라이버 및 X 슬라이더(25)를 구동하는 리니어 모터용 드라이버에 추력 지령치를 주기 위하여 도 1에 나타내는 바와 같은 제어계가 구비되어 있다.

도 1에 있어서, X 슬라이더용 리니어 모터(26)에는 드라이버(27)로부터 구동신호가 주어지고, 반력 처리용 액츄에이터(21-1 ~ 21-4)에는 드라이버(22-1 ~ 22-4)로부터 각각 구동신호가 주어진다.

상기와 같은 4개의 반력 처리 액츄에이터(21-1 ~ 21-4) 및 리니어 모터(26)의 제어계(10)는, 드라이버(27)에 대하여 추력 지령치(F)를 줌과 함께, 4개의 드라이버(22-1 ~ 22-4)에 대해서는 상기 추력 지령치(F)를 게인 조정부(15)를 통한 다음에 조정된 추력 지령치를 준다. 이하에서는, 드라이버(27)에 주어지는 출력을 추력 지령치(F), 드라이버(22-1 ~ 22-4)에 주어지는 추력 지령치는 조정된 추력 지령치라고 불러서 구별하는 것으로 한다.

상세히 설명하면, 본 형태에 있어서의 진동제어장치는, 도 4에서 설명한 제어수단(43), 게인 보상기(44)에 대신하여 제어계(10)를 구비한다. 제어계(10)는, 앞에 서술한 위치센서로부터의 위치검출신호를 앰프(28)로 증폭 및 파형 정형(整形)한 위치검출치와 위치검출치를 받아서 이들의 차를 연산하는 연산기(11), 앰프(12), 게인 조정부(15)를 포함한다. 앰프(12)는, 연산기(11)로부터의 차 신호에 기하여 드라이버(27)에 대하여 리니어 모터(26)를 위한 추력 지령치(F)를 출력한다.

게인 조정부(15)는, 제1 조정부(16)와 제2 조정부(17)를 가진다. 제1 조정부(16)는, X 슬라이더(25)가 가속 혹은 감속 중인 경우에는 게인으로서 게인 A1을 제2 조정부(17)에 주고, 정속(定速) 주행 중인 경우에는 게인으로서 게인 A2(단, A1 > A2)를 제2 조정부(17)에 준다. 제1 조정부(16)는, 게인(A1, A2)을 나타내는 신호를 출력하는 출력부(도시하지 않음)와, 앰프(12)로부터의 추력 지령치를 받아서 가속도를 검출하는 가속도 검출기(16-1)와, 그 산출 결과, 즉 가속 혹은 감속 중, 정속 주행 중의 구별에 따라서 게인(A1, A2)을 스위칭하여 제2 조정부(17)에 주는 스위칭(切替)기(16-2)로 구성된다.

제2 조정부(17)는, 추력 지령치(F)와 위치센서로부터의 위치검출신호를 받아서, X 슬라이더(25)가 가속 혹은 감속 중인 경우에, X 슬라이더(25)의 위치에 따라서 게인 A1을 가변으로 한다. 특히, 이 제2 조정부(17)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 기준점을 경계로 한 X 슬라이더(25)의 플러스측에서는 제1 기울기를 가지는 제1 직선(GL1)에 기하여 X 슬라이더(25)의 위치에 따라서 변화시킨 게인(A1)을 추력 지령치(F)에 곱셈하여 출력하는 한편, 기준점을 경계로 한 X 슬라이더(25)의 마이너스측에서는 제2 기울기를 가지는 제2 직선(GL2)에 기하여 X 슬라이더(25)의 위치에 따라서 변화시킨 게인(A1)을 추력 지령치(F)에 곱셈하여 출력한다. 그리고, 기준점은, X 슬라이더(25)에서 말하면, 예컨대 그 스트로크 범위의 중간점이고, 이것이 0(zero)점이 된다.

이와 같은 구성에 의하여, 제2 조정부(17)는, X 슬라이더(25)가 가속 혹은 감속 중인 경우에는 가변치인 게인 A1에 기하여 조정된 추력 지령치를 출력하고, 정속 주행 중인 경우에는 고정치인 게인 A2에 기하여 조정된 추력 지령치를 출력한다.

이상의 설명에서 명백한 바와 같이, 본 반력 처리 시스템은, X 슬라이더(25)용 리니어 모터(26)에의 추력 지령치(F)에, 어떤 게인(A)을 곱셈한 것을 조정된 추력 지령치로서 반력 처리 액츄에이터(21-1 ~ 21-4)에 출력하는데, X 슬라이더(25)의 가동 범위 내의 어느 장소에서도 안정한 성능이 되도록 추력 지령치(F)에 하기와 같은 보정을 가하도록 한 것이다.

1. X 슬라이더(25)가 가속 혹은 감속 중, 정속 주행 중에서 게인을 스위칭한다. 이는, 상시, 반력 처리 시스템에 추력 지령치를 넣어 두면 X 슬라이더(25)가 어떤 위치에 정지하고 있을 때에 발진하는 경우가 있기 때문에, 가속 혹은 감속 중 이외에는 게인을 내려가게 하든지 혹은 추력 지령을 끊을 필요가 있기 때문이다. 또한, X 슬라이더(25)의 가감속 지령이 영(zero)이 된 후에는, 베이스(20)의 흔들림 등에 의하여 X 슬라이더(25)에의 추력 지령치는 아직 조금 출력되어 있기 때문에 게인 스위칭으로서, 반력 처리 액츄에이터에 추력 지령치를 넣도록 하고 있다.

2. X 슬라이더(25)의 0점을 경계로 한 위치에 의하여 게인(A)을 변경한다.

예컨대, X 슬라이더(25)의 스트로크 범위 -70 mm ~ + 70 mm 에 있어서, 0점을 기준점으로 하여 게인을 규정하는 2개의 직선이 각각 다른 기울기를 가지도록 하고 있다. 이와 같이 하는 것은, 앞에 서술한 바와 같이, X 슬라이더(25)는, 그 주행에 임하여, 케이블 베어의 텐션 등에 의한 외란의 영향을 받기 때문이다. 그러므로, 도 3의 제1, 제2 직선(GL1, GL2)에 있어서의 제1, 제2 기울기는, 예컨대 실제로 X 슬라이더(25)를 주행시켜서 반복 동작 테스트를 행하여, 최적인 값을 미리 설정하여 두는 것이 바람직하다.

본 형태에서는 더욱이, 4개의 반력 처리 액츄에이터(21-1 ~ 21-4)에 있어서의 추력의 배분을, X 슬라이더(25)의 중심(重心) 위치에 따라서 행하도록 하고 있고, 이하에 이를 설명한다.

도 2에 나타낸 각 제원을 이하와 같이 정의한다.

L1 : X 슬라이더(25)의 중심(重心) 위치로부터 반력 처리 액츄에이터(21-1, 21-2)에의 Y 방향 거리

L2 : X 슬라이더(25)의 중심(重心) 위치로부터 반력 처리 액츄에이터(21-3, 21-4)에의 Y 방향 거리

LL1 : 베이스(20)에 설정한 원점 위치로부터 반력 처리 액츄에이터(21-1, 21-2)에의 Y 방향 거리

LL2 : 베이스(20)에 설정한 원점 위치로부터 반력 처리 액츄에이터(21-3, 21-4)에의 Y 방향 거리

Ypos : 베이스(20)에 설정한 원점 위치로부터 X 슬라이더(25)의 Y 방향 위치

F : X 슬라이더(25)에 주어지는 추력 지령치

F1 : 반력 처리 액츄에이터(21-1, 21-2)에 주어지는 추력 지령치

F2 : 반력 처리 액츄에이터(21-3, 21-4)에 주어지는 추력 지령치

도 2로부터, 이하의 수학식 7, 8의 관계가 성립한다.

L1 = LL1 + Ypos

L2 = LL2 - Ypos

X 슬라이더(25)의 중심(重心) 위치에서 본 반력 처리 액츄에이터의 모멘트의 균형은 이하의 수학식 9와 같이 된다.

F1 × L1 = F2 × L2

X 슬라이더(25)의 추력은 반력 처리 액츄에이터의 총 추력과 같기 때문에 이하의 수학식 10이 성립한다.

F1 + F2 = F

이상으로부터, X 슬라이더(25)의 추력 지령치(F)에 기하여 반력 처리 액츄에이터에의 추력 지령치는 이하와 같이 산출된다.

여기서, L12 = L2 / L1

그리고, 4개의 반력 처리 액츄에이터(21-1 ~ 21-4)에의 개개의 추력 지령치(F11, F12, F21, F22)는 이하와 같이 된다.

F11 = 0.5 × F1, F12 = 0.5 × F1, F21 = 0.5 × F2, F22 = 0.5 × F2

그리고, 상기 형태에서는, 워크(work)를 탑재하는 X 슬라이더만이 베이스 위를 주행하는 스테이지 장치에 대하여 설명했는데, 본 발명은 워크를 탑재하는 테이블이 베이스 위를 X축 방향, Y축 방향으로 움직이는 소위 X-Y 스테이지 장치에도 적용 가능한 것은 말할 나위도 없다. 이 경우, 도 2의 예에서 말하면, 베이스(20)의 Y축 방향으로 평행한 양면에 각각, Y축 방향으로 반력을 작용시키는 적어도 2개의 반력 추리 액츄에이터가 마련되면 되며, 제어계의 구성은, 도 1에 나타낸 것과 같아도 된다.

[산업상 이용가능성]

본 발명은 마스크 검사 장치나 반도체 검사 장치 등의 고정밀도의 위치결정이 요구되는 스테이지 장치 전반에 적용 가능하다.

본 발명에 의하면, 가동부가 어느 위치에 있어서도 안정한 높은 위치결정 성능이 얻어지는 스테이지 장치용 반력 처리 시스템을 제공할 수가 있다. 예컨대, X축 스트로크 ± 70 mm 내에 있어서, 1 mm 이동시, 반력 처리 시스템이 없을 때에는 1초 이상의 정정(整定)시간(settle time)을 요하지만, 본 발명에 의한 반력 처리 시스템을 채용함으로써 정정시간 180 msec 이내를 실현할 수 있다.

도 1은, 본 발명에 의한 반력 처리 시스템의 실시 형태에 관한 구성예를 나타낸 블럭도이다.

도 2는, 도 1에 나타낸 반력 처리 시스템을 채용할 경우의 구조체로서의 베이스, 가동부로서의 X 슬라이더, 및 이들에 조합되는 반력 처리 액츄에이터의 배치예를 나타낸 도면이다.

도 3은, 도 1에 나타낸 게인 조정부에 있어서의 게인 조정을 설명하기 위하여, 슬라이더 위치와 게인의 관계를 나타낸 특성도이다.

도 4는, 본 발명자들에 의하여 제안되어, 본 발명이 채용되는 진동제어장치의 구성예를 나타낸 도면이다.

도 5는, 도 4에 나타낸 반력 처리 액츄에이터를, 도 4의 화살표 I 방향에서 본 도면이다.

도 6은, 종래의 진동제어장치의 일례를 나타낸 도면이다.

[부호의 설명]

10 : 제어계

15 : 게인 조정부

16 : 제1 조정부

17 : 제2 조정부

20 : 베이스

21-1 ~ 21-4 : 반력 처리 액츄에이터

25 : X 슬라이더

Claims

제진(除振)수단을 통하여 고정바닥 위에 설치된 구조체와, 이 구조체 위에서 구동원에 의하여 적어도 1축 방향으로 움직일 수 있도록 구성된 가동(可動)부를 구비한 스테이지 장치에 있어서 상기 가동부가 구동됨으로써 발생하는 반력에 기인하는 상기 구조체의 진동을 억제하기 위한 반력 처리 시스템에 있어서,

상기 고정바닥 측에 설치되어 상기 구조체에 대하여 상기 반력을 지우는 방향으로 추력(推力; thrust)을 주기 위한 추력 발생수단과,

상기 구동원에 대하여 추력 지령치를 줌과 동시에, 상기 추력 발생수단에 대하여는 상기 추력 지령치를 게인(gain)이 가변인 게인 조정수단을 통한 다음 조정된 추력 지령치를 주는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 스테이지 장치용 반력 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 게인 조정수단은, 상기 가동부가 가속(加速) 혹은 감속(減速) 중인 경우에는 상기 게인으로서 게인 A1을 선택하고, 정속(定速) 주행 중인 경우에는 상기 게인으로서 게인 A2(단, A1 > A2)를 선택하는 제1 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치용 반력 처리 시스템.
제2항에 있어서,

상기 가동부의 위치를 검출하는 위치검출수단을 구비하고, 상기 가동부는 기준점을 경계로 한 스트로크 범위가 미리 설정되어 있고, 상기 게인 조정수단은 더욱, 상기 게인 A1이 선택되어 있을 때, 상기 가동부의 위치에 따라서 상기 게인 A1을 가변으로 하는 제2 조정부를 포함하고, 이 제2 조정부는, 상기 기준점을 경계로 한 상기 가동부의 플러스(정(正))측에서는 제1 기울기를 가지는 제1 직선에 기하여 상기 게인 A1을 변화시킴과 함께 변화된 게인을 상기 추력 지령치에 곱셈하여 출력하는 한편, 상기 기준점을 경계로 한 상기 가동부의 마이너스(부(負))측에서는 제2 기울기를 가지는 제2 직선에 기하여 상기 게인 A1을 변화시킴과 함께 변화된 게인을 상기 추력 지령치에 곱셈하여 출력하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치용 반력 처리 시스템.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 구동원은 리니어 모터이고, 상기 추력 발생수단은 리니어 모터, 보이스 코일 모터, 서보 모터의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스테이지 장치용 반력 처리 시스템.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 가동부가 구동될 때에 힘이 가해지는 제1 위치로부터 상기 가동부의 중심(重心)까지의 연직 방향에 관한 제1 거리와, 상기 제1 위치로부터 상기 추력 발생수단이 구동될 때에 힘이 가해지는 제2 위치까지의 연직 방향에 관한 제2 거리가 같아지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치용 반력 처리 시스템.
제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 추력 발생수단으로서, 상기 구조체에 적어도 2개의 추력 발생부를 구비하고, 상기 구동원의 추력이 F인 경우, 상기 제2 조정부는, 상기 적어도 2개의 추력 발생부에 대하여, 상기 가동부의 중심(重心) 위치에 따른 상기 추력(F)의 배분을 행하여 배분된 추력 지령치를 상기 조정된 추력 지령치로서 출력하는 것을 특징으로 하는 스테이지 장치용 반력 처리 시스템.