JP2019175280A - エアステージ装置、サーボ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定性と高速応答性を両立したサーボ装置あるいはエアステージ装置を提供する。【解決手段】サーボ装置１００は、流体圧アクチュエータ１１０および駆動部１３０を備える。流体圧アクチュエータ１１０は、内部に圧力室１１４を有する第１部材１１２と、圧力室１１４を２つの空間１１６Ａ，１１６Ｂに区画する隔壁１２２を有する第２部材１２０と、を有する。駆動部１３０は、２つの空間１１６Ａ，１１６Ｂへ流入／流出する流体を操作することにより、第１部材１１２と第２部材１２０との相対的な変位量を制御する。フィードバックコントローラ１３４は、変位量ＰＦＢが目標値ＰＲＥＦに近づくように制御指令ＣＮＴ１を生成する。ノッチフィルタ１３６は制御指令ＣＮＴ１の経路上に設けられ、変位量（ＰＦＢあるいはＰＲＥＦ）に応じて阻止周波数ｆＮが制御可能に構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、エアステージ装置やサーボ装置に関する。

対象物の位置決めにステージ装置が用いられる。ステージ装置は、ガイドと、ガイドに沿って可動するスライダと、スライダを駆動するリニアアクチュエータを備える。電子ビームを用いた露光装置において、リニアアクチュエータとしてリニアモータを使用すると、リニアモータが発生する磁場が電子ビームに作用するため、パターンの描画精度が低下するという問題が知られている。測定対象の微弱な磁場を測定する磁場測定装置においても、リニアモータの発生する磁場は測定精度を低下させる。このような装置においては、空気圧アクチュエータを利用したエアステージ装置を使用する場合がある（たとえば特許文献３）。

特開２０１０−１９８３１５号公報 特開２０１１−１４５７２６号公報 国際公開ＷＯ２０１６−１５８３８１号公報

ステージ装置を高速化するためには、広帯域な応答特性が求められる。ところが、ステージ装置の周波数特性をフラットなまま広帯域化することは難しく、制御が不安定となるという問題があった。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、安定性と高速応答性を両立したサーボ装置あるいはエアステージ装置の提供にある。

本発明のある態様は、エアステージ装置に関する。エアステージ装置は、ステージテーブルと、ステージテーブルを位置決めする流体圧アクチュエータと、流体圧アクチュエータを駆動する駆動部と、を備える。駆動部は、その制御ループに設けられ、ステージテーブルの位置に応じて阻止周波数が変化するノッチフィルタを含む。

本発明の別の態様は、サーボ装置である。このサーボ装置は、固定ガイドと、固定ガイドに沿って移動可能なスライダと、を備える。固定ガイドには、スライダとの間に形成される圧力室を２つの空間に区画する隔壁と、圧力室と通ずる少なくともひとつの給排ポートと、が設けられている。サーボ装置は、少なくともひとつの給排ポートと接続される少なくともひとつのサーボ弁と、少なくともひとつのサーボ弁に対する制御指令を生成するコントローラと、をさらに備える。コントローラは、その制御ループに設けられ、スライダの位置に応じて阻止周波数が変化するノッチフィルタを含む。

本発明のさらに別の態様もまた、サーボ装置である。このサーボ装置は、内部に圧力室を有する第１部材と、圧力室を２つの空間に区画する隔壁を有する第２部材と、を有する流体圧アクチュエータと、２つの空間に流入および／または流出する流体を操作することにより、第１部材と第２部材とを相対的な変位量を制御する駆動部と、を備える。駆動部は、変位量が目標値に近づくように制御指令を生成するフィードバックコントローラと、制御指令の経路上に設けられ、変位量に応じて阻止周波数が変化するノッチフィルタと、を含む。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、安定性と高速応答性を両立できる。

実施の形態に係るサーボ装置のブロック図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、流体圧アクチュエータの動作を説明する図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、第１、第２の比較技術を説明する図である。 実施の形態に係るエアステージ装置の外観斜視図である。 図５は、流体圧アクチュエータの断面図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、工程には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、実施の形態に係るサーボ装置１００のブロック図である。サーボ装置１００は、その可動部が直線的に移動可能なリニアアクチュエータのひとつである。サーボ装置１００は、流体圧アクチュエータ１１０および駆動部１３０を備える。流体圧アクチュエータ１１０は、第１部材１１２および第２部材１２０を備える。第１部材１１２は内部に圧力室１１４を有する。第２部材１２０は、圧力室１１４を２つの空間１１６Ａ，１１６Ｂに区画する隔壁１２２を有する。

駆動部１３０は、２つの空間１１６Ａ，１１６Ｂの圧力Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂの圧力差を制御することにより、第１部材１１２と第２部材１２０とを相対的な位置関係（変位量）を制御する。より詳しくは駆動部１３０は、２つの空間に流入する、あるいはそれらから流出する流体を操作することにより圧力差を制御する。駆動部１３０は、流体の流量を制御してもよいし、流体の圧力を制御してもよい。第１部材１１２と第２部材１２０の一方が固定子、他方が可動子として機能する。

駆動部１３０は、圧縮空気源１３２Ａ，１３２Ｂ、ノッチフィルタ１３６、出力部１３８を備える。圧縮空気源１３２Ａ，１３２Ｂは、空間１１６Ａ，１１６Ｂの圧縮された気体を給気／排気することにより、それぞれの圧力Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂを制御可能に構成される。圧縮気体としては、空気、窒素、ヘリウム酸素やアルゴンなどを用いることができる。圧縮空気源１３２Ａ，１３２Ｂはそれぞれ、サーボバルブを含み、サーボバルブの開閉に応じて、流れ込む／流れ出る流体を操作、より詳しくは流体の量あるいはその圧力を制御し、その結果、圧力Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂの差を調節する。

フィードバックコントローラ１３４には、第１部材１１２と第２部材１２０の相対的な位置関係を示す変位量Ｐ_ＦＢがフィードバックされる。変位量Ｐ_ＦＢは、図示しない位置センサによって生成される。フィードバックコントローラ１３４は、変位量Ｐ_ＦＢが目標となる相対位置を示す目標値Ｐ_ＲＥＦに近づくように、制御指令ＣＮＴ_１を生成する。フィードバックコントローラ１３４は、サーボバルブを積分器となして、ＰＤＤ^２（Proportional-Differential-2nd Deriviative）制御を行ってもよい。制御指令ＣＮＴ_１は、圧縮空気源１３２Ａ，１３２Ｂのサーボバルブの開閉の程度（および向き）を指示する。

ノッチフィルタ１３６は、制御指令ＣＮＴ_１の経路上に設けられたバンドストップフィルタであり、阻止周波数ｆ_Ｎが制御可能に構成される。ノッチフィルタ１３６の阻止周波数ｆ_Ｎは、変位量Ｐ_ＦＢ（あるいはＰ_ＲＥＦ）応じて設定される。阻止周波数ｆ_Ｎは、変位量Ｐ_ＦＢ（あるいはＰ_ＲＥＦ）にもとづいて、所定の演算式にもとづいて計算してもよい。あるいは、阻止周波数ｆ_Ｎと変位量Ｐ_ＦＢ（あるいはＰ_ＲＥＦ）の関係を規定するルックアップテーブルを用意しておき、テーブル参照によって阻止周波数ｆ_Ｎを決定してもよい。

出力部１３８は、ノッチフィルタ１３６を通過した制御指令ＣＮＴ_２にもとづいて、圧縮空気源１３２Ａ，１３２Ｂを制御する。

なお、ノッチフィルタ１３６については公知技術を用いればよく、デジタルフィルタで構成してもよいし、アナログフィルタで構成してもよい。デジタルフィルタで構成する場合、ハードウェアで実装してもよいし、ソフトウェアで実装してもよい。デジタルフィルタで構成されたノッチフィルタの阻止周波数ｆ_Ｎは、フィルタの係数を変更することで実現できる。一例として、フィードバックコントローラ１３４とノッチフィルタ１３６を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含むマイコンと、ソフトウェアの組み合わせで実装してもよい。

以上がサーボ装置１００の構成である。続いてその動作を説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は、流体圧アクチュエータ１１０の動作を説明する図である。具体的には図２（ａ）は流体圧アクチュエータ１１０の応答特性を示すボード線図であり、図２（ｂ）は、ノッチフィルタ１３６の周波数特性を示す図である。横軸は周波数を、縦軸はゲインを示す。図２（ａ）を参照すると、流体圧アクチュエータ１１０の周波数特性は、ローパスフィルタとして捉えることができるが、カットオフ周波数ｆ_Ｃよりわずかに高い周波数帯域に共振周波数ｆ_Ｒを有する。

ゲインを上げていくと共振周波数部分にてゲイン余裕が不足して制御系が不安定となり、アクチュエータの可動子が振動したりする。そこでノッチフィルタ１３６を設け、制御指令ＣＮＴ_１から共振周波数ｆ_Ｒの成分を除去することとしている。

本発明者らが検討したところ、流体圧アクチュエータ１１０の共振周波数ｆ_Ｒは、流体圧アクチュエータ１１０の動作中に動的に変化することを認識するに至った。この認識にもとづいて、本実施の形態では、流体圧アクチュエータ１１０の共振周波数ｆ_Ｒの変動に、ノッチフィルタ１３６の阻止周波数ｆ_Ｎを追従させることとしている。このためには、共振周波数ｆ_Ｒを推定する必要があるが、従来において、サーボ装置１００の動作中に共振周波数ｆ_Ｒを推定する手法は存在しない。

本発明者らは、共振周波数ｆ_Ｒの変動が、可動子と固定子の相対的な位置（変位量）と相関を有することを独自に見いだした。これは、相対的な位置に応じて、２つの空間１１６Ａ，１１６Ｂの可動方向の長さＬ_１，Ｌ_２、ひいてはそれらの体積が変化し、気体の共振点が移動することに起因するものと考えられる。なお、この認識を当業者の技術常識と捉えてはならない。

そこで、本実施の形態では、流体圧アクチュエータ１１０の変位量に応じて、ノッチフィルタ１３６の阻止周波数ｆ_Ｎを変化させることにより、共振周波数ｆ_Ｒを直接測定することなく、適切な阻止周波数ｆ_Ｎを決定することができる。なお、阻止周波数ｆ_Ｎは、変位量に応じて連続的に変化させてもよいし、離散的に変化させてもよい。

以上がサーボ装置１００の動作である。続いてその利点を説明する。サーボ装置１００の利点は、比較技術との対比よって明確となる。図３（ａ）〜（ｃ）は、第１、第２の比較技術を説明する図である。図３（ａ）は、流体圧アクチュエータ１１０の周波数特性であり、図２（ａ）と同様である。

流体圧アクチュエータ１１０の共振周波数ｆ_Ｒの変動の影響を抑制する方法としては、実施の形態で説明したアプローチの他に、２つのアプローチが取り得る。

第１比較技術では、共振周波数ｆ_Ｒの変動帯域Δｆをカバーするように、ノッチフィルタのＱ値を低く、すなわち、阻止帯域を広く設計するというアプローチが採られる。図３（ｂ）は、第１比較技術を説明する図である。

第２比較技術では、流体圧アクチュエータ１１０および駆動部２３０を含む制御ループのカットオフ周波数ｆ_Ｃ’を共振周波数ｆ_Ｒの帯域よりも十分に低く設計するというアプローチが採られる。図３（ｃ）は、第２比較技術を説明する図である。第２比較技術によれば、系の応答帯域が、流体圧アクチュエータ１１０の共振周波数ｆ_Ｒより十分に低いため、共振周波数ｆ_Ｒの影響を受けない制御が可能となる。

しかしながら、第１比較技術における阻止帯域の広いノッチフィルタは、阻止周波数ｆ_Ｎより低い周波領域で位相遅れ量が大きくなる。したがってノッチフィルタの阻止帯域を広くとると、制御帯域での位相特性が悪化し、位相余裕が減少しゲインをあまり上げられない状態が発生する。

また第２比較技術における低いカットオフ周波数ｆ_Ｃ’は、サーボ装置１００のフィードバックループの狭帯域化を意味するから、応答特性を悪化させ、動作速度が遅くなる。

これに対して、実施の形態に係るサーボ装置１００によれば、狭い阻止帯域と、高いカットオフ周波数を維持できるため、安定性と高速応答性を両立することができる。

本発明は、図１のブロック図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。

図４は、実施の形態に係るエアステージ装置２００の外観斜視図である。ここでは説明の簡潔化のため１軸のステージを説明する。エアステージ装置２００は、ステージテーブル２０２、流体圧アクチュエータ２１０および駆動部２３０を備える。流体圧アクチュエータ２１０は、ステージテーブル２０２をＸ方向に位置決めする。流体圧アクチュエータ２１０には、給排ポート２２２Ａ，２２２Ｂが設けられており、駆動部２３０は、給排ポート２２２Ａ，２２２Ｂへの気体の流量、給気／排気の向きを制御することにより、流体圧アクチュエータ２１０を駆動する。

駆動部２３０は、その制御ループに設けられたノッチフィルタ２３６を含む。ノッチフィルタ２３６の阻止周波数は、ステージテーブル２０２の位置（すなわちスライダ２１４の位置）に応じて可変である。

より詳しくは、流体圧アクチュエータ２１０は、Ｘ方向に向かって伸びる固定ガイド２１２と、スライダ２１４を備える。筒状のスライダ２１４は、固定ガイド２１２を取り囲んでおり、固定ガイド２１２に沿って移動可能な可動子である。スライダ２１４には、ステージテーブル２０２が取り付けられる。

スライダ２１４が固定ガイド２１２に対して滑らかに移動できるように、スライダ２１４と固定ガイド２１２は静圧気体軸受を形成している。具体的には、スライダ２１４の内側に設けられたエアパッドから圧縮気体を噴出することにより、スライダ２１４は、固定ガイド２１２に対して非接触の状態を維持している。静圧気体軸受については公知技術を用いればよい。磁場が問題とならない用途では、静圧気体軸受に代えて、磁気軸受を用いてもよい。

駆動部２３０は、サーボ弁２３２Ａ，２３２Ｂと、コントローラ２３４を備える。サーボ弁２３２Ａ，２３２Ｂはそれぞれ、給排ポート２２２Ａ，２２２Ｂと接続されている。またサーボ弁２３２Ａは、図示しない圧縮気体源および排気経路と接続されている。サーボ弁２３２Ｂも同様である。

コントローラ２３４は、サーボ弁２３２Ａ，２３２Ｂを制御することにより、流体圧アクチュエータ２１０を制御する。

図５は、流体圧アクチュエータ２１０の断面図である。スライダ２１４と固定ガイド２１２との間には、圧力室２１６が形成される。固定ガイド２１２には、この圧力室２１６を、２つの空間２１８Ａ，２１８Ｂに区画する隔壁２２０が設けられる。また固定ガイド２１２には、圧力室２１６と通ずる少なくともひとつの給排ポート２２２Ａ，２２２Ｂが設けられる。給排ポート２２２Ａは、流路２２４Ａを介して空間２１８Ａと通じており、給排ポート２２２Ｂは、流路２２４Ｂを介して空間２１８Ｂと通じている。

給排ポート２２２Ａから給気し、給排ポート２２２Ｂから排気することにより、空間２１８Ａの体積が大きく、空間２１８Ｂの体積が小さくなるため、スライダ２１４は図中、左側に移動する。反対に、給排ポート２２２Ａから排気し、給排ポート２２２Ｂから給気することにより、スライダ２１４は図中、右側に移動する。

図５の流体圧アクチュエータ２１０は、図１の流体圧アクチュエータ１１０の一形態と把握することができる。具体的には、図５のスライダ２１４は、図１の第１部材１１２に対応付けることができ、図５の固定ガイド２１２および隔壁２２０は、図１の第２部材１２０および隔壁１２２に対応付けることができる。

なお図４や図５に示すように、サーボ弁２３２Ａ，２３２Ｂが空間２１８Ａ，２１８Ｂに近いほど、スライダ２１４の変位に対する共振周波数の変動が顕著となる。反対に、サーボ弁２３２Ａ，２３２Ｂを、空間２１８Ａ，２１８Ｂから遠ざけるほど、スライダ２１４の変位による共振周波数の変動は小さくなる。したがって、上述したノッチフィルタの周波数制御は、サーボ弁２３２Ａ，２３２Ｂが空間２１８Ａ，２１８Ｂに近い構造においてより効果的である。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

ノッチフィルタ１３６は、阻止周波数ｆ_Ｎに加えて、減衰量および／またはＱ値（バンド幅）が可変であってもよい。この場合において、ステージの位置に応じて、阻止周波数ｆ_Ｎに加えて、減衰量および／またはＱ値を変化させてもよい。

実施の形態では、圧力室に形成される２つの空間それぞれへ流入し、それぞれから流出する流体を制御可能であったが、その限りでなく、一方の空間に対する流体のみを操作してもよい。

１００ サーボ装置
１１０ 流体圧アクチュエータ
１１２ 第１部材
１１４ 圧力室
１１６ 空間
１２０ 第２部材
１２２ 隔壁
１３０ 駆動部
１３２ 圧縮空気源
１３４ フィードバックコントローラ
１３６ ノッチフィルタ
１３８ 出力部
２００ エアステージ装置
２０２ ステージテーブル
２１０ 流体圧アクチュエータ
２１２ 固定ガイド
２１４ スライダ
２１６ 圧力室
２１８ 空間
２２０ 隔壁
２２２ 給排ポート
２３０ 駆動部
２３２ サーボ弁
２３４ コントローラ
２３６ ノッチフィルタ

Claims (4)

1. ステージテーブルと、
   前記ステージテーブルを位置決めする流体圧アクチュエータと、
   前記流体圧アクチュエータを駆動する駆動部と、
   を備え、
   前記駆動部は、その制御ループに設けられ、前記ステージテーブルの位置に応じて阻止周波数が変化するノッチフィルタを含むことを特徴とするエアステージ装置。
2. 前記流体圧アクチュエータは、
   固定ガイドと、
   前記固定ガイドに沿って移動可能なスライダと、
   を備え、
   前記固定ガイドには、前記スライダとの間に形成される圧力室を、２つの空間に区画する隔壁と、前記圧力室と通ずる少なくともひとつの給排ポートと、が設けられており、
   前記駆動部は、
   前記少なくともひとつの給排ポートと接続される少なくともひとつのサーボ弁と、
   前記少なくともひとつのサーボ弁を制御するコントローラと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のエアステージ装置。
3. 固定ガイドと、
   前記固定ガイドに沿って移動可能なスライダと、
   を備え、
   前記固定ガイドには、前記スライダとの間に形成される圧力室を、２つの空間に区画する隔壁と、前記圧力室と通ずる少なくともひとつの給排ポートと、が設けられており、
   前記少なくともひとつの給排ポートと接続される少なくともひとつのサーボ弁と、
   前記少なくともひとつのサーボ弁に対する制御指令を生成するコントローラと、
   をさらに備え、
   前記コントローラは、その制御ループに設けられ、前記スライダの位置に応じて阻止周波数が変化するノッチフィルタを含むことを特徴とするサーボ装置。
4. 内部に圧力室を有する第１部材と、前記圧力室を２つの空間に区画する隔壁を有する第２部材と、を有する流体圧アクチュエータと、
   前記２つの空間に流入および／または流出する流体を操作することにより、前記第１部材と前記第２部材との相対的な変位量を制御する駆動部と、
   を備え、
   前記駆動部は、
   前記変位量が目標値に近づくように制御指令を生成するフィードバックコントローラと、
   前記制御指令の経路上に設けられ、前記変位量に応じて阻止周波数が変化するノッチフィルタと、
   を含むことを特徴とするサーボ装置。

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