JPH08285176A - ハイブリッド式制振除振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 空気バネをアクチュエータとする能動的除振
装置に大重量物の姿勢制御を、ＶＣＭをアクチュエータ
とする能動的除振装置に制振制御を主に担当させて、装
置全体の除振および制振性能を向上させる。 【構成】 空気バネ１をアクチュエータとする能動的除
振装置に大重量物の姿勢制御を、ボイスコイルモータ１
１をアクチュエータとする能動的除振装置に制振制御を
担わせる制振除振装置に係り、水平面内の制振除振のた
め、平板状の定盤の四隅に配置するアクチュエータとし
て空気バネ４個とボイスコイルモータを４個を備え、平
板状の定盤の対角位置２箇所に同一方向の駆動軸を有す
る空気バネを配置し、もう一対の対角位置２箇所には前
記駆動方向と直交する方向の駆動軸を有する空気バネを
配置し、各４個の空気バネの駆動軸の駆動方向と直交す
る駆動軸を持つボイスコイルモータが各空気バネの近傍
に備えられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気バネおよびボイス
コイルモータをアクチュエータとするハイブリッド式制
振除振装置に関し、特に露光用ＸＹステージを搭載して
なる半導体製造装置等の一構成ユニットとして好適に使
用されるものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、除振台上には振動を嫌う機器群が
搭載される。例えば、光学顕微鏡や露光用ＸＹステージ
などである。特に、露光用ＸＹステージの場合には、適
切かつ迅速な露光が行われるべく、外部から伝達する振
動を極力排除した除振台上に同ステージは搭載されねば
ならない。なぜならば、露光は露光用ＸＹステージが完
全停止の状態で行われなければならないからである。さ
らに、露光用ＸＹステージは、ステップ＆リピートとい
う間欠運転を動作モードとして持ち、繰り返しのステッ
プ振動を自身が発生しこれが除振台の揺れを惹起せしめ
ることにも注意せねばならない。この種の振動が整定し
きれないで残留する場合にも、露光動作に入ることは不
可能である。したがって、除振台には、外部振動に対す
る除振と、搭載された機器自身の運動に起因した強制振
動の制振性能とをバランスよく実現することが求められ
ている。

【０００３】なお、ＸＹステージを完全停止させてから
同ステージ上に搭載のシリコンウエハに対して露光光を
照射するというステップ＆リピート方式の半導体製造装
置に代わって、ＸＹステージなどをスキャンさせながら
露光光をシリコンウエハ上に照射するスキャン方式の半
導体露光装置も登場してきた。このような装置に使われ
る除振台に対しても、外部振動に対する除振と、その除
振台に搭載された機器自身の運動に起因した強制振動に
対する制振性能とをバランスよく満たすことが求められ
ることは同様である。

【０００４】さて、周知のように、除振台は受動的除振
台と能動的除振台に分類される。除振台上の搭載機器に
求められる高精度位置決め、高精度スキャン、高速移動
などへの要求に応えるべく近年は能動的除振装置を用い
る傾向にある。能動的除振装置に用いられるアクチュエ
ータとしては、空気バネ、ボイスコイルモータ、圧電素
子などがある。

【０００５】まず、図３を用い、空気バネをアクチュエ
ータとする能動的除振装置における空気バネ式支持脚１
２に対するフィードバック装置１９の構成とその動作を
説明しよう。同図において、１３は空気バネ１４へ動作
流体の空気を給気・排気するサーポバルブ、１５は支持
台１６の鉛直方向変位を計測する位置センサ、１７は予
圧用機械バネ、１８は空気バネ１４と予圧用機械バネ１
７および図示しない機構全体の粘性を表現する粘性要素
である。これらの構成部品から組み合わされる機構は空
気バネ式支持脚１２と呼ばれる。次に、空気バネ式支持
脚１２に対するフィードバック装置１９の構成とその動
作を説明する。まず、加速度センサ２０の出力は、適切
な増幅度と時定数とを有するローパスフィルタないしバ
ンドパスフィルタ２１を介してサーボバルプ１３の弁開
閉用の電圧電流変換器２２の前段に負帰還させている。
この加速度フィードバックループにより機構の安定化が
図られている。すなわち、ダンピングが付与されるので
ある。さらに、位置センサ１５の出力は変位増幅器２３
を通って比較回路２４の入力となっている。ここでは、
空気バネ式支持脚１２が接する地面に対する目標位置と
等価な目標電圧２５と比較されて偏差信号ｅとなる。こ
の偏差信号ｅはＰ１補償器２６を通って電圧電流変換器
２２を励磁する。すると、サーボバルブ１３の弁開閉に
よって空気バネ１４内の圧力が調整されて支持台１６は
目標電圧２５で指定した所望の位置に定常偏差なく保持
可能となるのである。ここで、Ｐは比例、Ｉは積分動作
をそれぞれ意味する。空気バネ１４をアクチュエータと
した空気バネ式支持脚１２は、支持台１６の上に大重量
物を搭載できる能力を持つ。しかし、空気バネ式支持脚
１２とフィードバック装置１９とからなる閉ループ系に
対して高速応答を期待することはできなかった。

【０００６】次に、永久磁石と巻線コイルとからなるボ
イスコイルモータ（以下、ＶＣＭという）をアクチュエ
ータとする能動的除振装置における支持脚のフィードバ
ック装置構成とその動作を説明する。加速度センサの出
力信号を積分器に通して速度信号に変換し、この信号で
ＶＣＭを駆動する電力増幅器を励磁し、結果として支持
する定盤にダンピングを与えることが制御ループの基本
構成になる。図４がＶＣＭを使った除振装置における制
御ループの基本構成である。同図において、２９は加速
度センサの出力信号を受けてオフセットと高周波の雑音
を除去するための適切な前置フィルタ、３０は前置フィ
ルタ２９の出力信号を速度のディメンジョンに変換する
ための積分器、３１はＶＣＭ（不図示）を駆動するため
の電力変換器である。なお、積分器３０は必要に応じて
疑似積分器でも構わない。ＶＣＭをアクチュエータとす
る能動的除振装置では、俊敏なる応答性が特徴である。
しかし、大重量物を位置決めする支持のためには定常的
な電流を巻線コイルに通電しておかねばならないので発
熱問題を引き起こし不利である。通常、発生した振動の
みに応動してＶＣＭを駆動するように制御ループが構成
される。

【０００７】さて、空気バネをアクチュエータとする能
動的除振装置は、定盤を含めた大重量物を支持して姿勢
の位置制御をすることにおいて優れた能力を持つ。しか
し、制御ループの応答が緩慢なので搭載機器が発生する
振動の影響を相殺するために同機器の駆動信号に補償を
施して空気バネのアクチュエータをフィードフォワード
的に駆動して振動の影響を抑圧する能力の面では劣って
いた。一方、ＶＣＭをアクチュエータとする能動的除振
装置は、俊敏なる応答性を有するが装置全体の姿勢を位
置決め制御する能力は無いか、もしくは劣っていた。

【０００８】そこで、空気バネをアクチュエータとする
能動的除振装置に大重量物の姿勢制御を、ＶＣＭをアク
チュエータとする能動的除振装置に制振制御を主に担当
させて装置全体の除振及び制振性能を向上させんとする
ことが考えられていた。

【０００９】空気バネとＶＣＭの両者をアクチュエータ
とした能動的除振装置の公知例として特開平６ー１１７
４８０号公報等がある。ここでは、空気バネとＶＣＭと
を併用した振動除去装置であって、定盤上の大重量物を
空気圧バネで支持し、空気圧の変化から定盤に作用する
荷重を検出し、その検出信号を適切なアルゴリズムを用
いて制御定数を算出してなる補償器を介してＶＣＭを駆
動する構成を有するものが示され、併せて同一の支持脚
内に空気バネとＶＣＭとを巧みに配置した構成を有する
ものが開示されている。ただし、重力方向に姿勢制御す
る場合の構成であり、水平方向に関する支持脚内のアク
チュエータ配置については開示がなかった。

【００１０】さらに、２種類の除振装置を組み合わせた
公知例として、特開平６ー４２５７８号公報等がある。
床振動に対する除振効果と、機器内の移動反力に対する
制御効果とを両立させる目的で案出されたものであり受
動型除振装置と並列に、受動型ダンパ部材もしくは受動
型バネ部材と、電磁石およびこれを制御するコントロー
ラから構成された半能動型ダンパ装置もしくは半能動型
剛性機構装置を開示している。受動型除振装置によって
定盤を含めた大重量物の支持が安価かつ容易に行える利
点はある。しかし、支持物体の姿勢を微妙に位置決めし
たいという要求には応えることができなかった。仮に、
受動的除振装置の機械的調整によって所望の姿勢への位
置決めが行えたとしても、受動的除振装置を構成する受
動部品の経時的特性変化に原因して姿勢が変動してしま
う、という問題があった。最後に、水平方向の空気バネ
の配置を示す公知例として次の文献を挙げておく。

【００１１】安田，大阪、池田：“フィードフォワード
制御を併用したアクティブ除振装置の研究”日本機械学
会論文集Ｃ．ｖｏｌ．５８．Ｎｏ．５５２．ｐ．２３８
１、（１９９２−８） 上記文献には、８個の空気バネを平板状の定盤の四隅に
配置した構成の説明が記載されている。鉛直方向の支持
のために４個の空気バネのアクチュエータが、そして水
平方向の支持のために残り４個の空気バネが配置されて
いる。ここで、水平方向のｘとｙ軸方向に対しては各２
個ずつの空気バネが使用され、平板状の定盤の対角位置
に配置されている。いわゆる、水平方向の空気バネは風
車配置になっている。水平方向への冗長な空気バネの配
置を廃し、必要最低限の空気バネを使って水平方向の制
振除振を実現することが意図であり産業用装置にとって
優れた装置構成を提供するものであった。

【００１２】ここで、空気バネをアクチュエータとして
用いた能動的除振装置の水平面内の支持を行わせる空気
バネ式支持脚の構造を図５に示そう。同図において、１
は空気バネ、２は空気バネ１によって支持する本体装置
と機械的に接続する支持脚フレーム、３ａ，３ｂは予圧
用機械バネ、４は空気バネ１の駆動力を本体装置と機械
的に接する支持脚フレーム２に伝達するためのフォース
ピンであり、これらの構成要素をもって水平面内を支持
する空気バネ式支持脚５を構成している。なお、図中斜
線部は、機械的には設置床と接触している部位を示す。
引続いて、図５と同構造の空気バネ式支持脚５ａ，５
ｂ，５ｃ，５ｄを平板状の定盤６の四隅に配置したとき
の上面図を図６に示す。図中のｘｙｚ座標系を使って示
せば、空気バネ式支持脚５ａはｘ軸方向に、５ｂはｙ軸
方向に、５ｃはｘ軸方向に、そして５ｄはｙ軸方向に駆
動力を発生するようにそれぞれの空気バネが配置されて
いる。すなわち、空気バネが風車配置されているのであ
る。

【００１３】次に、ＶＣＭの一例である平板型リニアモ
ータ１１の構造を図９に示そう。同図において、７は永
久磁石、８は巻線コイル、９は巻線コイル８の支持枠、
１０は永久磁石７を固定する固定枠である。支持枠９を
堅固に固定して巻線コイル８に電流を通電したときには
永久磁石７を含めた固定枠１０が、固定枠１０を堅固に
固定して巻線コイル８に電流を通電したときには巻線コ
イル８を含めた支持枠９がそれぞれ駆動力を得る。

【００１４】空気バネとＶＣＭを併用したハイブリット
式制振除振装置を実現するに当たっては、空気バネ１と
ＶＣＭの一例である平板型リニアモータ１１の支持脚へ
の組み込み方が課題となる。空気バネを大重量物の位置
決め用に、ＶＣＭを制振用に活用せんとするとき、同一
の支持脚内にこれらのアクチュエータを収納しようと考
える。一般的には、空気バネとＶＣＭ両者の駆動方向が
同一であるように並列配置した支持脚が構成される。図
７はこの一例を示す。図５に示す空気バネ式支持脚５の
中に図９に示す平板型リニアモータ１１を組み込んでお
り、両者の駆動方向は一致している。しかし、空気バネ
１と予圧用機械バネ３ａ．３ｂなどから成る機構に対し
て新たに平板型リニアモータ１１を組み込まねばならな
いので支持脚が大型化する問題を抱えていた。また、空
気バネ１の駆動点と平板型リニアモータ１１のそれが不
一致であることに原因して、両アクチュエータを固定す
る機構部品に対して曲げを発生せしめ、もって除振装置
にとって好ましくない不要振動を惹起せしめるという問
題があった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】空気バネをアクチュエ
ータとする能動的除振装置は、定盤を含めた大重量物を
支持して姿勢の位置制御をすることにおいて優れた能力
を持っている。しかし、制御ループの応答が緩慢なので
搭載機器が発生する振動を、例えばフィードフォワード
的に補償して抑圧する能力の面では劣っていた。一方、
ＶＣＭをアクチュエータとする能動的除振装置は俊敏な
応答性を有する。故に、搭載機器が発生する振動を検出
してフィードバックするか、あるいはフィードフォワー
ド的に補償すると瞬時にそれを抑圧できる能力がある。
しかし、装置全体の姿勢を位置決め制御する能力は劣っ
ているか、あるいはまったくその能力を持っていなかっ
た。そこで、空気バネとＶＣＭの両者をアクチュエータ
として有する能動的除振装置を構成することによって、
姿勢制御と制振制御の両性能を満足させることはすでに
案出されていた。しかし、特に平板状の定盤を支持する
能動的除振装置の水平方向制御において、両者のアクチ
ュエータが好適に配置されていないことに原因した性能
問題があり、それを解決することが課題として残されて
いた。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明では空気バネをア
クチュエータとする能動的除振装置に大重量物の姿勢制
御を、ＶＣＭをアクチュエータとする能動的除振装置に
制振制御を主に担当させて、装置全体の除振および制振
性能を向上させることを目的としており、そのために特
に水平面内の空気バネとＶＣＭの好適な配置を与える。
より具体的には、水平面内の制振除振のため、平板状の
定盤の四隅に配置するためのアクチュエータとして空気
バネ４個とＶＣＭを４個を備え、平板状の定盤の対角位
置２箇所に同一の駆動軸を有する空気バネを配置し、も
う一対の対角位置２箇所には前記駆動方向と直交する駆
動軸を有する空気バネを配置し、各４個の空気バネの駆
動軸の駆動方向と直交する駆動軸を持つＶＣＭが各空気
バネの近傍に備えられているハイブリッド式制振除振装
置を構成する。

【００１７】

【作用】平板状の定盤の四隅に風車配置された空気バネ
のアクチュエータによって、同定盤の水平面内３自由度
の運動、すなわちｘ軸方向並進運動、ｙ軸方向並進運動
およびｚ軸回りの回転運動を位置決め制御する。

【００１８】同時に、各四隅に配した空気バネの駆動軸
と直交した駆動軸を有するＶＣＭを空気バネの近傍に配
置することによって、定盤に作用する３自由度の振動、
すなわちｘ軸方向並進振動、ｙ軸方向並進振動、および
ｚ軸回りの回転振動を抑圧する。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の一実施例に係るハイブリット
式制振除振装置の構成を示す図である。同図では水平方
向支持の為のハイブリッド支持脚２８ａ，２８ｂ，２８
ｃ，２８ｄが平板状の定盤６の四隅に配置されている。
図８にはこれらハイブリッド支持脚２８の一構造を示
す。図８において、空気バネ１の駆動方向に対して平板
型ＶＣＭ１１はそれと直行する方向に駆動の自由度を持
つように、巻線コイル８を支持する支持枠９は斜線を施
した部材に接合している。すなわち、永久磁石７を含め
た固定枠１０が可動するようになっている。再び図１を
参照して、ハイブリッド支持脚２８ａ，２８ｂ，２８
ｃ，２８ｄの空気バネの駆動方向はそれぞれｘ方向、ｙ
方向、ｘ方向、ｙ方向であり、これら支持脚の各平板型
ＶＣＭの駆動方向はｙ方向、ｘ方向、ｙ方向、ｘ方向に
なっているのである。なお、図１を構築するため、空気
バネとそれと直交する駆動軸を有するＶＣＭは同一の支
持脚内に例えば図８に示す如く収納されていた。しか
し、必ずしも同一の支持脚内に組み込まれる必要はな
い。要は、平板状の定盤の四隅に、水平面内の駆動軸が
直交するこれら２種のアクチュエータが近接して配置さ
れれば良いのである。

【００２０】結局、図１に示す本発明の内容を簡潔に表
現すると図２のようになる。図中、Ａは空気バネを、Ｖ
は平板型ＶＣＭを表現しており、且つ、ＡとＶとから出
ている矢印は、図示のｘｙｚ座標系における駆動力の作
用方向を示す。Ａで示される４個の空気バネとＶで示さ
れる４個の平板型ＶＣＭの両者はいずれも風車配置にな
っているが、一つの支持脚をみてみると空気バネと平板
型ＶＣＭの駆動方向は互いに直交しているのである。し
たがって、空気バネが作る風車配置に対して、その配置
で空となった部位に平板型ＶＣＭで構成する風車配置を
入れ込んだ構造になっているのである。

【００２１】

【発明の効果】アクチュエータとしての空気バネを平板
状の定盤の四隅に風車状に配置することは、冗長なるア
クチュエータの使用を抑えて経済的な装置構成となせる
利点があった。しかしながら、一般に定盤６は対称構造
に作られることは有り得ず、このような定盤２の上に駆
動運転する機器が搭載されたとき、必然的に回転の姿勢
（ｚ軸回り）を拘束する能力が劣り、したがってｚ軸回
りのモーメント外乱に抗する性能も十分でない。という
問題があった。

【００２２】しかし、図１に係る本発明のハイブリッド
式制振除振装置によれば、定盤の四隅に風車配置された
空気バネが在り、さらに制振用の平板型ＶＣＭを空気バ
ネが空配置の部位に風車配置している。したがって、空
気バネの働きによる位置決め性能と、平板型ＶＣＭの働
きによる制振性能とをバランスよく満たせる、という効
果がある。

【００２３】また、空気バネと平板型ＶＣＭとを駆動方
向が同一となるように並列に配置した従来の場合には、
駆動点の不一致に起因した機構部品の変形を生ぜしめた
り、あるいは局所的な機械振動を惹起せしめこれが除振
装置としての除振および制振性能を劣化させていたので
あるが、本発明のハイブリッド式制振除振装置によれば
このような問題を回避できる、という効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係るハイブリッド式制振
除振装置の構成を示す図である。

【図２】 発明の内容を簡潔に表現したブロック図であ
る。

【図３】 空気バネをアクチュエータとする支持脚のフ
ィードバック装置の構成である。

【図４】 ＶＣＭを使った除振装置における制御ループ
の基本構成である。

【図５】 空気バネ式支持脚の構造を示す図である。

【図６】 支持脚の配置図である。

【図７】 ハイブリッド支持脚の第１の構造を示す図で
ある。

【図８】 ハイブリッド支持脚の第２の構造を示す図で
ある。

【図９】 平板型リニアモータの構造図である。

【符号の説明】

１：空気バネ、２：支持脚フレーム、３ａ，３ｂ：予圧
用機械バネ、４：フォースピン、５，５ａ，５ｂ，５
ｃ，５ｄ：を空気バネ式支持脚、６：定盤、７：永久磁
石、８：巻線コイル、９：支持枠、１０：固定枠、１
１：平板型ＶＣＭ、１２：空気バネ式支持脚、１３：サ
ーボバルブ、１４：空気バネ、１５：位置センサ、１
６：支持台、１７：予圧用機械バネ、１８：粘性要素、
１９：フィードバック装置、２０：加速度センサ、２
１：ローパスフィルタないしバンドパスフィルタ、２
２：電圧電流変換器、２３：変位増幅器、２４：比較回
路、２４、２５：目標電圧、２６：ＰＩ補償器、２７：
ハイブリッド支持脚、２８：ハイブリッド支持脚、２
９：前置フィルタ、３０：積分器、３１：電力増幅器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気バネをアクチュエータとする能動的
   除振装置に大重量物の姿勢制御を、ボイスコイルモータ
   をアクチュエータとする能動的除振装置に制振制御を担
   わせる制振除振装置に係り、 水平面内の制振除振のため、平板状の定盤の四隅に配置
   するアクチュエータとして空気バネ４個とボイスコイル
   モータを４個を備え、 平板状の定盤の対角位置２箇所に同一方向の駆動軸を有
   する空気バネを配置し、 もう一対の対角位置２箇所には前記駆動方向と直交する
   方向の駆動軸を有する空気バネを配置し、 各４個の空気バネの駆動軸の駆動方向と直交する駆動軸
   を持つボイスコイルモータが各空気バネの近傍に備えら
   れていることを特徴とするハイブリッド式制振除振装
   置。
2. 【請求項２】 前記ボイスコイルモータは平板型ボイス
   コイルモータであることを特徴とした請求項１記載のハ
   イブリッド式制振除振装置。