JPH1144337A

JPH1144337A - 空気ばね式能動的除振装置

Info

Publication number: JPH1144337A
Application number: JP9215492A
Authority: JP
Inventors: Shinji Wakui; 伸二涌井; Hiroaki Kato; 宏昭加藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 1999-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】空気ばねアクチュエータによる水平方向への
急激な加減速運転に起因する構造体の変形を抑制し得る
フィードバック構成あるいはプッシュプル構造の能動的
支持脚に対して圧力ないし加重フィードバックを施す制
御系の構成を有する能動的除振装置を提供する【解決手段】除振台と、除振台の水平面内の運動を制
御する少なくとも３個以上の複数の能動的支持脚と、複
数の能動的支持脚内の空気ばねの内圧を検出する複数の
圧力検出手段あるいは空気ばねが発生する加重を検出す
る複数の加重計測手段と、複数の圧力計測手段あるいは
複数の加重計測手段の検出結果に応じて複数の能動的支
持脚の各水平方向の内圧を調整する圧力フィードバック
あるいは加重フィードバックと、を備えたことを特徴と
する空気ばね式能動的除振装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は能動的除振装置に関
する。特に、露光用ＸＹステージを搭載してなる半導体
露光装置の一構成ユニットとして好適に使用される能動
的除振装置であって、空気ばねアクチュエータを対向配
置した所謂プッシュプル構成を採用する空気ばね式能動
的除振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】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、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。何
故ならば、露光は露光用ＸＹステージが完全停止の状態
で行われね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に対する制振性能
とをバランスよく実現することが求められる。なお、近
年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ステップ
＆リピート方式の半導体露光装置に加えて、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
振動の除振と、搭載機器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。

【０００３】さて、周知のように除振台は受動的なもの
と能動的なものとに実現形態が分類される。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。それに用いられるアクチュ
エータとしては空気ばね、ボイスコイルモータ、圧電素
子などが知られている。本発明では空気ばねをアクチュ
エータとした能動的除振装置を対象に具体的説明を行
う。

【０００４】まず、図２を参照して空気ばねをアクチュ
エータとする従来技術の能動的除振装置の構成とその動
作を説明する。同図において、１は精密機器を搭載する
除振台、２ａ〜ｃは能動的支持脚である。能動的支持脚
２ａ〜ｃの主な構成要素として、３ａ〜ｃは除振台の水
平方向の振動を計測する振動計測手段、４ａ〜ｃは水平
方向に駆動力を発生する不図示のサーボバルブを含めた
空気ばねアクチュエータ、５ａ〜ｃは水平方向の変位を
計測する位置計測手段、である。ここで、振動計測手段
３ａ〜ｃとしては加速度センサやジオフォンセンサなど
が、位置計測手段５ａ〜ｃとしては渦電流式変位セン
サ、静電容量センサ、光電変換素子を応用した位置検出
センサなどが使用できる。図示のように、概略三角形状
の除振台１の３隅には、上述の空気ばねアクチュエータ
４ａ〜ｃ、位置計測手段５ａ〜ｃ、振動計測手段３ａ〜
ｃなどを主たる構成要素として内蔵する能動的支持脚２
ａ〜ｃを配置し除振台１とその上に搭載する精密機器と
を支持している。なお、除振台１を鉛直方向に支持する
ための主構成要素については不図示であるが、上述した
水平方向の構成と同様になる。

【０００５】次に、能動的支持脚２ａ〜ｃに対する運動
モード別の非干渉化フィードバック装置の構成とその動
作を説明する。まず、加速度センサなどの振動計測手段
３ａ〜ｃの電気出力Ａ_a〜_cは、除振台１のｘ軸方向並
進運動、ｙ軸方向並進運動、そしてｚ軸回りの回転運動
を抽出する加速度に関する運動モード抽出手段６Ａに導
かれて運動モード加速度信号（ａ_x，ａ_y，ａ _θz）を
得る。この信号は適切な増幅度と時定数とを有するゲイ
ン補償器７ｘ，７ｙ，７θｚを介して運動モード別の加
速度に関する負帰還信号となり、これを運動モード分配
手段１１の前段に負帰還している。この加速度フィード
バックループにより運動モード別にダンピングが付与さ
れ機構の安定化が図られる。

【０００６】さらに、位置計測手段５ａ〜ｃの電気出力
Ｚ_a〜_cは偏差アンプ８ａ〜ｃの入力となる。各偏差ア
ンプ８ａ〜ｃへのもう一つの入力は位置目標電圧入力端
子９から印加される。この入力端子９から指定した電圧
は、能動的支持脚２ａ〜ｃが設置されている基礎（床）
からの除振台１の平衡位置となる。偏差アンプ８ａ〜ｃ
の出力である位置偏差信号ｅ_a〜_cは変位に関する運動
モード抽出手段６Ｐへの入力となり、その出力は運動モ
ード偏差信号（Ｓ_x，Ｓ_y，Ｓ_θz）となる。これらの
信号は運動モードごとに定常偏差を零にするための補償
器であるＰＩ補償器１０ｘ，１０ｙ，１０θｚに導かれ
て位置フィードバックループを構成している。次いで、
ＰＩ補償器１０ｘ，１０ｙ，１０θｚの出力信号と先に
説明したゲイン補償器７ｘ，７ｙ，７ｚの出力である運
動モード別の加速度に関する負帰還信号とを加算して運
動モード別の駆動信号（ｄ_x，ｄ_y，ｄ_θz）を得る。
ここで、Ｐは比例を、Ｉは積分動作をそれぞれ意味す
る。運動モード別の駆動信号（ｄ_x，ｄ_y，ｄ_θz）
は、各軸への駆動信号を生成する運動モード分配手段１
１への入力となる。この運動モード分配手段１１の出力
信号（ｄ_a，ｄ_b，ｄ_c）で各軸の電圧電流変換器１２
ａ〜ｃが励磁されると、不図示のサーボバルブの弁開閉
によって空気ばねアクチュエータ４ａ〜ｃの内圧が調整
され除振台１は位置目標電圧入力端子９で設定した所望
の位置に定常偏差なく保持できる。尚、詳細な説明は省
略するが４０は精密機器のＸＹステージである。

【０００７】さて、能動的支持脚２の機械構造をみてみ
よう。図３に一構造例を示す。図３において、１３は図
２でいうところの除振台、１４は能動的支持脚２と除振
台１３を剛に結合する締結板、１５Ｖ（Ｈ）は鉛直（水
平）方向の空気ばね、１６は積層ゴム、１７Ｖ（Ｈ）は
振動計測手段としての鉛直（水平）方向の加速度セン
サ、１８Ｖ（Ｈ）は位置計測手段としての鉛直（水平）
方向の位置センサ、１９Ｖ（Ｈ）は空気ばねへ作動流体
である空気を出し入れするための鉛直（水平）方向のサ
ーボバルブ、２０は水平方向の予圧コイルばね、２１は
フォースピン、２２はフレーム、２３は能動的支持脚２
が接する床、である。このような機械構造を有する能動
的支持脚２を除振台１の支持に用いたときの問題点は以
下の通りである。

【０００８】（１）能動的支持脚を設置している床の振
動は、機構部材を介して除振台へと進入してくる。した
がって、床振動に対する除振台上の振動の伝達関数であ
る除振率のより一層の改善は望めない。

【０００９】（２）半導体露光装置の場合、除振台上に
は精密機器であるところのＸＹステージが搭載されてお
り、これが運転されたとき繰り返しの反力を除振台に与
え続ける。このとき、能動的支持脚内のアクチュエータ
はその反力に抗する駆動力を発生するため、機構部材に
も駆動力が印加されることになって、有限の剛性で取り
付けられている機構部材を変形させたり局所的な機械振
動を発生せしめる。これらの現象は半導体露光装置にと
っての性能を劣化させる。

【００１０】（３）ＸＹステージ駆動に原因した反力に
抗して発生する空気ばねアクチュエータの駆動力によっ
て除振台を含めた構造体に変形を生じせしめ、もって露
光性能を損なう。

【００１１】上記（１）（２）の問題点を解決するため
に、能動的支持脚においては機構部材を極力使用しない
構造とする必要がある。機構部材を使わないと床振動が
直接的に伝達してくる経路が遮断され、もって床振動に
対する伝達率を改善することができる。また、機構部材
がないと、除振台上のＸＹステージの急激な加減速で発
生する反力に原因した機構部材の変形と機械共振を回避
することができるのである。機構部材を持たない能動的
支持脚の一構成として、動作軸方向であって駆動方向が
互いに反対のアクチュエータを対向させた、所謂プッシ
ュプル配置が知られている。さて、アクチュエータをプ
ッシュプルに配置することは既知の技術である。能動的
除振装置以外にもプッシュプル配置の使用例は見いだす
ことができる。例えば、図４は一対の電磁石２４Ｒと電
磁石２４Ｌを水平方向に対向配置して可動物体２５を非
接触支持する磁気軸受である。一般に、電磁石２４Ｒと
２４Ｌには定常的な電流が通電されており、可動物体２
５が右側に変位した場合、不図示のコントローラからの
制御信号に応動して左側の電磁石２４Ｌにより多くの電
流を通電され、反対に右側の電磁石２４Ｒへの電流を減
じるように動作させて、可動物体２５を所定の位置に非
接触で位置決めする、というように動作する。話を能動
的除振装置の場合に戻して、空気ばねアクチュエータを
プッシュプル配置した装置構成の公知例として、特開平
３−２１９１４１号の能動制振台がある。同公知例で
は、第１実施例のブロック回路図として左右一対の空気
ばねを用いて、一方の空気ばねには空圧源の空気をサー
ボバルブを介して一定のバイアスを与えておき、もう一
方の空気ばねには制御信号に応動して内圧を変えるよう
な構成を与える。同公知例においける第２実施例のブロ
ック回路図では、左右一対の空気ばねを用い、それぞれ
に位相の１８０゜反転した制御信号を入力し、両空気ば
ねを互いに同方向に制御して制御力を倍増する構成を示
している。

【００１２】残る上記（３）の問題を解決するための装
置構成の一つとして、空気ばねの内圧計測に基づく圧力
フィードバック、あるいは空気ばねが発生する力の計測
に基づく加重フィードバックが案出されている。これら
フィードバックの目的は、空気ばねアクチュエータの駆
動力を制御という管理下に置くことによって、除振台を
含めた構造体に変形を与えないようにすることである。
公知例としては、例えば、特開平８−１６６０４３号
（防振装置）に開示されたものがあり、本出願人による
特願平９−６８９９５号（能動的除振装置）も、このよ
うな装置構成を提案している。

【００１３】以上の議論より、除振率のより一層の向上
を計り、能動的支持脚が発生する駆動力に原因した変形
と機械共振とを抑制乃至は軽減し、同時に除振台を含め
た構造体変形を抑止するためには、空気ばねアクチュエ
ータをプッシュプル配置する能動的支持脚となし、そこ
に圧力フィードバックまたは加重フィードバックを組み
込めばよいことが分かる。しかしながら、一対の空気ば
ねアクチュエータを対向させた能動的支持脚に対する圧
力フィードバックまたは加重フィードバックの構成につ
いては知られていなかった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来の能動的除振装置
では、ダンピング付与のための加速度フィードバックル
ープと姿勢保持のための位置フィードバックループとが
設けられていた。しかし、最終的に、能動的支持脚によ
って支えられる除振台を含む構造体に印加される力は、
制御の管理下には置かれていなかった。そのため、精密
な搭載機器であるところの例えばＸＹステージが除振台
上で急速な加減速運転を行ったとき、激しい反力が発生
する結果として加重も大きく揺動し、構造体に余計な力
を与えてこれを歪ませていた。構造体の変形は、それに
搭載される計測機器の読み値や、ＸＹステージを位置決
めするに必要なレーザ干渉計の読み値などを狂わせるの
で、露光精度を劣化させ、ひいては生産性を著しく阻害
することが問題であった。問題解決のためには、圧力あ
るいは加重も制御の管理下におけばよく、圧力あるいは
加重計測に基づくフィードバックループを新たに付加す
ることは既に提案されていた。

【００１５】一方、床振動の伝達を抑制し、しかもＸＹ
ステージの駆動反力に原因した能動的支持脚内の局所的
な振動や変形の発生を回避するために、空気ばねアクチ
ュエータを対向配置した、所謂プッシュプル構造の能動
的支持脚を用いることも提案されていた。

【００１６】しかしながら、ＸＹステージの水平方向へ
の急激な加減速運転に原因する構造体の変形を抑制する
ための必要最低限のフィードバック構成や、プッシュプ
ル構造の能動的支持脚に対して圧力ないし加重フィード
バックを施す制御系の構成については、明確にされてお
らず、実現に当たっての課題として残されていた。

【００１７】本発明は、上述の課題を解決し、空気ばね
アクチュエータによる水平方向への急激な加減速運転に
起因する構造体の変形を抑制し得るフィードバック構成
あるいはプッシュプル構造の能動的支持脚に対して圧力
ないし加重フィードバックを施す制御系の構成を有する
能動的除振装置を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の空気ばね式能動的除振装置ではＸＹステー
ジなどの精密機器を搭載するための除振台と、除振台の
水平面内の運動を制御する少なくとも３個以上の複数の
能動的支持脚と、複数の各能動的支持脚が備える空気ば
ねの内圧を検出する複数の圧力計測手段あるいは空気ば
ねが発生する加重を検出する複数の加重計測手段とを備
えて、その複数の圧力計測手段あるいは複数の加重計測
手段の検出結果に応じて複数の能動的支持脚の各水平方
向の内圧を調整する圧力フィードバックあるいは加重を
調整する加重フィードバックが施されている。

【００１９】より詳細な具体例の一つとして、本発明の
空気ばね式能動的除振装置では、一対の空気ばね、空気
ばねへの作動媒体である空気を出し入れする４方弁タイ
プのサーボバルブ、両空気ばねの圧力差を検出する差圧
計、振動計測手段と、位置計測手段、を備えた能動的支
持脚において、差圧計の計測値に基づく圧力フィードバ
ックと、振動計測手段の計測値に基づく加速度フィード
バックと、位置計測手段の計測値に基づく位置フィード
バック、とを備える。その他に幾つかの構成が考えられ
る。

【００２０】第２の詳細な構成は、一対の空気ばねと、
一対の各空気ばねごとに作動媒体の空気を出し入れする
３方弁タイプのサーボバルブと、一対の各空気ばねごと
の圧力を検出する圧力計と、一対の空気ばねで支持され
る除振台の振動を計測する振動計測手段と、除振台の位
置を計測する位置計測手段とを備えた能動的支持脚であ
って、各圧力計の出力から差圧を演算してその差圧に基
づいた圧力フィードバックと、振動計測手段の計測値に
基づく加速度フィードバックと、位置計測手段の計測値
に基づく位置フィードバック、とを備える。

【００２１】第３の詳細な構成は、一対の空気ばねと、
一対の各空気ばねごとに作動媒体の空気を出し入れする
３方弁タイプのサーボバルブと、一対の各空気ばねごと
の圧力を検出する圧力計と、一対の空気ばねで支持され
る除振台の振動を計測する振動計測手段と、除振台の位
置を計測する位置計測手段とを備えた能動的支持脚であ
って、圧力計の計測値に基づく一対の各空気ばねごとの
圧力フィードバックと、振動計測手段の計測値に基づく
加速度フィードバックと、位置計測手段の計測値に基づ
く位置フィードバック、とを備える。

【００２２】第４の詳細な構成は、一対の空気ばねと、
一対の各空気ばねごとに作動媒体の空気を出し入れする
３方弁タイプのサーボバルブと、一対の各空気ばねごと
の圧力を検出する圧力計と、一対の空気ばねで支持され
る除振台の振動を計測する振動計測手段と、除振台の位
置を計測する位置計測手段とを備えた能動的支持脚であ
って、圧力計の計測値に基づく一対の各空気ばねごとの
圧力フィードバックと、振動計測手段の計測値に基づく
加速度フィードバックと、位置計測手段の計測値に基づ
く位置フィードバックとを備えており、一対の各空気ば
ねに対する圧力フィードバックのどちらか一方には加速
度フィードバックと位置フィードバックとが生成する制
御信号を印加しないようにする。

【００２３】第５の詳細な構成は、一対の空気ばねと、
一対の各空気ばねごとに作動媒体の空気を出し入れする
３方弁タイプのサーボバルブと、一対の空気ばねの圧力
差を検出する差圧計と、一対の空気ばねで支持される除
振台の振動を計測する振動計測手段と、除振台の位置を
計測する位置計測手段とを備えた能動的支持脚であっ
て、差圧計の計測値に基づく一対の空気ばねに対する圧
力フィードバックと、振動計測手段の計測値に基づく加
速度フィードバックと、位置計測手段の計測値に基づく
位置フィードバック、とを備える。

【００２４】第６の詳細な構成は、一対の空気ばねと、
一対の各空気ばねごとに作動媒体の空気を出し入れする
３方弁あるいは４方弁タイプのサーボバルブと、一対の
空気ばねごとの加重を検出するロードセンサなどの加重
計測手段と、一対の空気ばねで支持される除振台の振動
を計測する振動計測手段と、除振台の位置を計測する位
置計測手段とを備えた能動的支持脚であって、加重計測
手段の計測値に基づく一対の空気ばねに対する加重フィ
ードバックと、振動計測手段の計測値に基づく加速度フ
ィードバックと、位置計測手段の計測値に基づく位置フ
ィードバック、とを備える。

【００２５】次に、上述した機構構成の能動的支持脚の
何れかを複数台使用して除振台を含めた構造体全体を安
定に姿勢制御せんとする場合の装置構成を与える。この
場合には、圧力フィードバックまたは加重フィードバッ
クは各能動的支持脚ごとに独立に装備しておき、そのう
えで加速度フィードバックと位置フィードバックは共に
除振台の運動モードに基づく非干渉化制御系を採用す
る。

【００２６】上述した複数の能動的支持脚で支えられた
本発明にかかる除振台は、シリコンウエハ上にマスクパ
ターンを露光するＸＹステージなどの装置を載置するの
に好適である。

【００２７】

【作用】本発明では、空気ばねアクチュエータを作動方
向につき２個用意して、それらの駆動極性が逆になるよ
うに対向させたプッシュプル構成の能動的支持脚を複数
台備えた能動的除振装置を対象にしている。そして、各
支持脚内の一対の空気ばねアクチュエータごとに圧力フ
ィードバックあるいは加重フィードバックを実装してい
る。

【００２８】したがって、空気ばねアクチュエータをプ
ッシュプル配置することによって機構部材が廃された結
果として、床振動の伝播経路が遮断されもって除振率の
向上がより一層はかれるように作用する。また除振台上
のＸＹステージが加減速運転されたとき、その反力に抗
する駆動力を空気ばねアクチュエータが発生するが、機
構部材を廃したのでその変形を招くことも無いし、且つ
機械共振を招来することもない。加えて、空気ばねアク
チュエータをプッシュプル配置した特殊性を加味して内
圧あるいは加重を制御する装置構成と成しているので、
除振台を含めた構造体に加える力は予め定めた値にコン
トロールされて無理な力を構造体に与えてこれを歪ませ
ることがないように作用する。

【００２９】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）図１に本発明に係る空気ばね式能動
的除振装置構成の一実施形態を示す。同図の詳細な説明
に入る前に、特願平９−６８９９５号に記載の加圧力フ
ィードバックを有する能動的除振装置の制御構成を説明
する。但し、加圧力フィードバックには圧力計測に基づ
く圧力フィードバックと加重計測に基づく加重フィード
バックとが含まれる。ここでは前者の場合であって容易
な理解を得るべく１軸形能動的除振装置を対象に同フィ
ードバックループがどのように組み込まれるかを図５を
参照して説明する。図５は圧力フィードバック付きの能
動的除振装置の制御ブロックを示す。同図において、破
線で囲んだ部分が圧力フィードバックループである。

【００３０】まず、空気ばねアクチュエータ４の内圧は
後に説明する圧力計測手段によって計測され、適切な圧
力ゲイン補償器２６を介して圧力に関するＰＩ補償器２
７の前段に負帰還している。さらに、除振台１の振動を
振動計測手段で計測して、その出力をゲイン補償器７を
介してフィードバックした操作量が機構に対してはダン
ピングとして機能するように、新たに加速度に関するＰ
Ｉ補償器２８を前向きに挿入している。以下、数式に基
づいてより詳細な説明を行う。図５では電圧電流変換器
１２への入力ｖ_svから空気ばねアクチュエータ４の内圧
ｐまでの伝達関数を、

【００３１】

【数１】とおいている。ただし、Ｔ_svは十分大きいのでほとんど
積分器とみなすこともできる。ＰＩ補償器２７の入力側
への新たな入力ｗ_svから実際の圧力ｐまでの伝達関数は
次式である。

【００３２】

【数２】ここで、Ｔ_v＝Ｔ_svと選ぶ。すなわち、極低周波に折点
を有する１次遅れの極−１／Ｔ_svを圧力に関するＰＩ補
償器２７の零点−１／Ｔ_vでキャンセルする。このとき
次式のように１次遅れ特性を得、ｗ_svで指定した圧力に
定常偏差なく追従する特性となる。

【００３３】

【数３】ここで１次遅れ特性となった（３）式に対して単純にゲ
イン４の加速度フィードバックを施してもダンピングと
して機能しないので、加速度に関するＰＩ補償器２８を
ｗ_svの前段に挿入する。このとき、ｕ_svからｘまでの伝
達関数として次式を得る。

【００３４】

【数４】ここで、

【００３５】

【数５】と設定する。（４ａ）式から明らかなように、ゲインＡ
はダンピングとして機能することがわかる。また、同式
には、ＰＩ補償器２８を付加したことによる積分器が存
在することに注意したい。したがって、位置フィードバ
ックループでは、位置目標電圧入力端子９に加える目標
電圧ｒとゲインｋ_sを有する位置計測手段５の出力との
偏差信号は単純なゲインｋ_ppを有する位置ゲイン補償器
１０´（図２ではＰＩ補償器１０に相当する）を通して
ｕ_svを生成すればよいのである。以上が、加圧力フィー
ドバックの一つである圧力フィードバックを付加したこ
とによる加速度フィードバック及び位置フィードバック
ループの構成である。なお、加重フィードバックの場合
は、圧力ｐの計測に代えて加重をロードセンサなどで計
測すればよく各フィードバックループは圧力フィードバ
ック付きの場合と同様の構成になる。また、図５の構成
からの変形はいくつか考えられる。例えば、破線内の圧
力フィードバックループの折点周波数が低くて機構にダ
ンピングを与えたい周波数域では積分特性となっている
場合には、加速度に関するＰＩ補償器２８はゲイン要素
でもダンピングとしての作用を持たせられ、目標位置へ
定常偏差なく位置決めするために位置ゲイン補償器１０
´の部位には従来通りのＰＩ補償器を設けておく必要が
ある。

【００３６】さて、上述では能動的支持脚内の空気ばね
アクチュエータが動作方向につき１個備えられた場合に
対して、加圧力フィードバックループを含む制御構成を
説明した。ところが、除振特性と制振特性の向上を図る
ために、一対の空気ばねアクチュエータを対向させた能
動的支持脚を複数台使用してなる空気ばね式能動的除振
装置の場合には、空気ばねアクチュエータが対向してい
ることを活かした加圧力フィードバックが構成されねば
ならない。

【００３７】以下、一対の空気ばねアクチュエータを備
えたときの加圧力フィードバック付きの制御装置構成を
示す。

【００３８】まず、図６を参照されたい。これは一対の
空気ばね２９Ｒ，Ｌの差圧を差圧計３１Ｄで検出して圧
力フィードバックを施した制御ブロック図である。同図
において、２９Ｒ，Ｌは左右一対の空気ばね、３０Ｄは
４方弁タイプのサーボバルブ、３１Ｄは圧力手段として
の差圧計である。差圧計３１Ｄの出力はゲイン補償器３
２を介して適切に増幅されて、電圧電流変換器１２の前
段に設けた圧力に関するＰＩ補償器２７の入力側に負帰
還され、図中の破線で示す圧力フィードバックループ３
４を構成している。また、そのＰＩ補償器２７の入力側
の部位には差圧目標入力端子３３が設けられている。こ
こで、４方弁タイプのサーボバルブ３０Ｄの動作を説明
しておこう。このバルブはそれに供給する空気流量と機
械的な寸法とによって空気ばね２９Ｒ，Ｌの中立圧力が
決められる。したがって、電圧電流変換器１２の通電電
流がゼロのときには左右の空気ばね２９Ｒ，Ｌに供給さ
れる空気は同量となり内圧も概略同一になる。電流を通
電して、例えば空気ばね２９Ｒへ空気が供給されて内圧
を上昇せしめたときには、空気ばね２９Ｌへの空気供給
は逆に制限されてその内圧を下げるように動作する。し
たがって、プッシュプル配置の空気ばねアクチュエータ
を駆動することにおいて４方弁タイプは最適なサーボバ
ルブといえる。ここで、差圧目標入力端子３３に印加す
る電圧は、左右の空気ばね２９Ｒ，Ｌに圧力差を設ける
ためのものである。また、その他の装置構成については
図２の場合と同様である。すなわち、除振台１の振動は
加速度センサに代表される振動計測手段３によって検出
し、その出力をゲイン補償器７を介して加速度に関する
ＰＩ補償器２８の前段に負帰還している。位置計測手段
５の出力は目標電圧入力端子９に加える電圧と比較して
偏差信号となし、この信号は位置ゲイン補償器１０´に
通され、この出力信号と先に述べたゲイン補償器７の負
帰還信号とは加算されて圧力フィードバックループ３４
を駆動している。

【００３９】ここで、再び図１の説明に戻る。同図は概
略三角形状の除振台１の各頂点に能動的支持脚２ａ〜ｃ
が配置されており、水平方向の並進運動２種類と回転運
動１種類を制御するものである。

【００４０】図１において、能動的支持脚２ａ〜ｃは、
図６に示すように駆動軸の方向に一対の対向した空気ば
ねを備える。さらに、図６の能動的支持脚のように一対
の空気ばね間の圧力差を検出する差圧計３１Ｄと、不図
示であるが３０ａ〜ｃで指し示す４方弁タイプのサーボ
バルブを備えているものとする。さて、能動的支持脚２
ａ〜ｃの差圧計３１Ｄの出力は、ゲイン補償器３２ａ〜
ｃを通って不図示の４方弁タイプのサーボバルブ３０ａ
〜ｃに電流を通電する電圧電流変換器１２ａ〜ｃの前段
に設けた圧力に関するＰＩ補償器２７ａ〜ｃの入力側に
負帰還している。また、この部位には能動的支持脚２ａ
〜ｃ内の一対の空気ばねの差圧を指定する差圧目標入力
端子３３ａ〜ｃを備えており、この指定によって除振台
１の初期姿勢を決めている。このような圧力フィードバ
ックは各能動的支持脚２ａ〜ｃごと独立に設けられる。
その上で、図２に示したように、加速度フィードバック
と位置フィードバックが構成されており、それらはとも
に運動モードに基づく非干渉化制御を構成している。

【００４１】なお、図１において、他に図２と異なる部
位として運動モード分配手段１１の前段に加速度に関す
るＰＩ補償器２８ｘ，ｙ，θｚを設けているが、この理
由は図５を使って既に説明してあるので省略する。

【００４２】また、その他の構成としては、後述する図
７〜図１１に示す何れかの能動的支持脚とそれに対する
圧力フィードバックとを設けて、加速度と位置フィード
バックが共に運動モードに基づく非干渉化の装置構成で
あってもよい。（他の実施形態）図７は図６の能動的支持脚の装置構成
と本質的には同様であるが、差圧計３１Ｄと４方弁タイ
プのサーボバルブ３０Ｄの使用に代えて、空気ばね２９
Ｒ，Ｌごとにサーボバルブ３０Ｒ，Ｌと圧力計３１Ｒ，
Ｌを備えるものである。圧力計３０Ｒ，Ｌの各出力は差
動アンプ３５へ入力されて空気ばね２９Ｒ，Ｌの圧力差
を検出し、その出力は電圧電流変換器１２Ｒ，Ｌの前段
に負帰還している。ただし、圧力フィードバック３４内
の３６は、反転器である。なお、以下説明する図８〜１
１と同様に、その他の加速度フィードバックと位置フィ
ードバックループの構成は図６と同様なので説明は省略
する。

【００４３】図８は空気ばね２９Ｒ，Ｌごとにサーボバ
ルブ３０Ｒ，Ｌと圧力計３１Ｒ，Ｌを備えており、空気
ばね２９Ｒ，Ｌごとに独立の圧力フィードバックを施し
たときの制御装置構成である。空気ばね２９Ｒ，Ｌの内
圧は圧力計３１Ｒ，Ｌによって計測され、その出力は圧
力に関する偏差アンプ３７Ｒ，Ｌへの入力となってい
る。偏差アンプ３７Ｒ，Ｌへのもう一つの入力は圧力目
標電圧入力端子３８Ｒ，Ｌに印加する電圧であり、偏差
アンプ３７Ｒ，Ｌの出力は電圧電流変換器１２Ｒ，Ｌの
前段に設けた圧力に関するＰＩ補償器２７Ｒ，Ｌの入力
側に負帰還されている。

【００４４】図９は空気ばね２９Ｒ，Ｌごとにサーボバ
ルブ３０Ｒ，Ｌと圧力計３１Ｒ，Ｌを備えており空気ば
ねごとに独立の圧力フィードバックを施してはいるが、
空気ばね２９Ｒに施した圧力フィードバック系へは加速
度に関するＰＩ補償器２８の出力を印加していないこと
が特徴である。空気ばね２９Ｌに施した圧力フィードバ
ックループにのみ加速度に関するＰＩ補償器２８の信号
を印加して制御を掛ける制御装置となしている。その逆
で、空気ばね２９Ｒに施した圧力フィードバックループ
にはＰＩ補償器２８の信号を印加して、空気ばね２９Ｌ
には圧力フィードバックのみ掛けておく制御装置として
も構わない。

【００４５】図１０は空気ばね２９Ｒ，Ｌごとのサーボ
バルブ３０Ｒ，Ｌと、左右空気ばねの内圧差を検出する
差圧計３１Ｄを備えている。図８では電圧電流変換器１
２Ｒ，Ｌの前段の圧力に関するＰＩ補償器２７Ｒ，Ｌを
備えていたが、図１０ではこれらを排除する。また、電
圧電流変換器１２Ｒ，Ｌの前段には圧力目標電圧入力端
子３８Ｒ，Ｌが設けられている。ここで、ＰＩ補償器２
７Ｒ，Ｌを排除した理由であるが、これが存在した場合
に電圧電流変換器１２Ｒ，Ｌに対して一定電圧の目標電
圧を印加した場合には、それが外乱と見なされてしまう
からである。すなわちＰＩ補償器の積分器の動作によっ
て電圧電流変換器１２Ｒ，Ｌに印加するバイアス電圧は
抑制されてしまうからである。

【００４６】以上、図６〜図１０に示した能動的支持脚
の装置構成では、各空気ばね２９Ｒ，Ｌの内圧を計測す
る圧力計３１Ｒ，Ｌあるいは両空気ばねの差圧を計測す
る差圧計３１Ｄを備えていた。何れの場合も、圧力とい
う次元の物理量を測定してフィードバックを掛け、その
働きによって除振台に加える力のコントロールを行っ
た。したがって、より直接的には実際に発生する力を検
出してフィードバックを掛けることでも同様の効果を得
る。この場合の能動的支持脚の機械構造の一例は図１１
に示す。図１１において、３９Ｒ，Ｌは空気ばね２９
Ｒ，Ｌが発生する力を検出するロードセンサ等の加重計
測手段である。このような能動的支持脚の構造を持つ場
合、圧力計３１Ｒ，Ｌや差圧計３１Ｄに代えて発生する
力を検出するだけなので、フィードバックループの構成
は、図６〜図１０と同様となる。

【００４７】以上説明したように、本発明に係る装置構
成によれば、圧力フィードバックあるいは加重フィード
バックによって各能動的支持脚が備えた一対の空気ばね
の内圧または発生する加重を制御の管理下においた上
で、運動モードごとのフィードバック構成によって除振
台１の姿勢調整がきめ細かく行えるようになる。

【００４８】なお、本発明のいくつかの実施形態では水
平方向の空気ばねアクチュエータを対象に、しかも３台
の能動的支持脚を使って除振台を支える構成に対して具
体的説明を行った。もちろん、鉛直方向への本発明の適
用は妨げられないし、使用する能動的支持脚の台数に制
約を設けるものでもない。また、図中、制御装置はアナ
ログ回路で実現しているが、一部もしくは全部をディジ
タル演算装置に置き換えて実現することも本発明の範囲
に属する。さらに、本発明の実施形態では、一対の空気
ばねだけが推力を発生するアクチュエータであったが、
電磁モータの代表であるリニアモータやボイスコイルモ
ータを、あるいは変位発生型アクチュエータの代表であ
る圧電素子や電歪素子を空気ばねと併用したハイブリッ
ドの能動的除振装置への本発明の適用も妨げられない。
特に、電磁モータを併用した場合について言及しておき
たい。通常、電磁モータに位置決め機能を持たせること
はなく制振機能のみ実現させている。位置決めに用いた
場合には電磁モータの発熱を招くからである。すなわ
ち、除振装置における電磁モーターはダンピング付加が
主機能である。一方、空気ばねを使った制御装置の構成
の中では加速度フィードバックがダンピング付与の機能
を担っている。したがって、電磁モータを空気ばねアク
チュエータと併用してなるハイブリッド型能動的除振装
置においては、空気ばねに対する制御装置の中の加速度
フィードバックを除去するかまたは極めて弱いダンピン
グを与えておくのみでも除振台を安定に支承できる。し
たがって、上で述べた空気ばね式能動的除振装置におい
て、加速度フィードバックを除去あるいは極めて弱いダ
ンピングを付与したものであっても構わなく、このよう
な装置構成も本発明の範囲に属することを主張してお
く。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば以下の効果がもたらされ
る。

【００５０】（１）空気ばねアクチュエータのプッシュ
プル配置では機構部品が排除されるので、床振動の除振
台上への伝播を機構部品を備えた場合のそれに比べて抑
制することができる。

【００５１】（２）また、ＸＹステージの急激な加減速
に原因した能動的支持脚の変形や機械共振の発生が皆無
となる。

【００５２】（３）上記効果に加えて、プッシュプル配
置の空気ばねアクチュエータヘ巧妙な圧力フィードバッ
ク乃至加重フィードバックが組み込まれているので、除
振台を含む構造体には変形が発生せず、したがってそこ
に搭載する計測機器の計測値を狂わすこともない。

【００５３】（４）したがって、露光装置を載置した場
合に、ＸＹステージなどの位置決め精度が良好に保たれ
る結果として、半導体ウエハに対する露光も良好になさ
れ生産性が向上する、という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る能動的除振装置の
構成を示す図である。

【図２】従来例に係る能動的除振装置の構成を示す図
である。

【図３】能動的支持脚の機械構造を示す図である。

【図４】電磁石がプッシュプルに配置された磁気軸受
を示す図である。

【図５】圧力フィードバックつき能動的除振装置の制
御ブロック図、である。

【図６】４方弁タイプのサーボバルブと差圧計を用い
たときの制御装置構成を示す図である。

【図７】差圧計測に基づく圧力フィードバックを施し
た制御装置構成を示す図である。

【図８】空気ばねごと独立に圧力フィードバックを施
した制御装置構成を示す図である。

【図９】空気ばねごと独立に圧力フィードバックを施
したその他の制御装置構成を示す図である。

【図１０】差圧力の計測値に基づく圧力フィードバッ
クを施した制御装置構成を示す図である。

【図１１】ロードセンサを有する能動的支持脚の一構
造を示す図である。

【符号の説明】

１：除振台、２，２ａ〜ｃ：能動的支持脚、３，３ａ〜
ｃ：振動計測手段、４，４ａ〜ｃ：空気ばねアクチュエ
ータ、５，５ａ〜ｃ：位置計測手段、６Ａ，６Ｐ：運動
モード抽出手段、７，７ｘ，７ｙ，７θｚ：ゲイン補償
器、８ａ〜ｃ：偏差アンプ、９：位置目標電圧入力端
子、１０ｘ，１０ｙ，１０θｚ：ＰＩ補償器、１０´，
１０´ｘ，１０´ｙ，１０´θｚ：位置ゲイン補償器、
１１：運動モード分配手段、１２，１２Ｒ，１２Ｌ，１
２ａ〜ｃ：電圧電流変換器、１３：除振台、１４：締結
板、１５Ｖ（Ｈ）：鉛直（水平）方向の空気ばね、１
６：積層ゴム、１７Ｖ（Ｈ）：鉛直（水平）方向の加速
度センサ、１８Ｖ（Ｈ）：鉛直（水平）方向の位置セン
サ、１９Ｖ（Ｈ）：鉛直（水平）方向の３方弁タイブの
サーボバルブ、２０：予圧コイルばね、２１：フォース
ピン、２２：フレーム、２３：床、２４Ｒ，Ｌ：電磁
石、２５：可動物体、２６：圧力ゲイン補償器、２７，
２７Ｒ，２７Ｌ，２７ａ〜ｃ：圧力に関するＰＩ補償
器、２８，２８ｘ，２８ｙ，２８θｚ：加速度に関する
ＰＩ補償器、２９，２９Ｒ，２９Ｌ：空気ばね、３０
Ｒ，３０Ｌ：３方弁タイプのサーボバルプ、３０Ｄ，３
０ａ〜ｃ：４方弁タイプのサーボバルプ、３１Ｄ：差圧
計、３１Ｒ，３１Ｌ：圧力計、３２，３２ａ〜ｃ：ゲイ
ン補償器、３３，３３ａ〜ｃ：差圧目標入力端子、３
４：圧力フィードバックループ、３５：差動アンプ、３
６：反転器、３７Ｒ，３７Ｌ：偏差アンプ、３８，３８
Ｒ，３８Ｌ：圧力目標電圧入力端子、３９Ｒ，３９Ｌ：
加重計測手段、４０：ＸＹステージ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】除振台と、前記除振台の水平面内の運動
を制御する少なくとも３個以上の複数の能動的支持脚
と、前記複数の能動的支持脚内の空気ばねの内圧を検出
する複数の圧力検出手段あるいは前記空気ばねが発生す
る加重を検出する複数の加重計測手段と、前記複数の圧
力計測手段あるいは前記複数の加重計測手段の検出結果
に応じて前記複数の能動的支持脚の各水平方向の内圧を
調整する圧力フィードバックあるいは加重フィードバッ
クと、を備えたことを特徴とする空気ばね式能動的除振
装置。
【請求項２】前記能動的支持脚内の空気ばねは一対の
空気ばねであり、前記一対の空気ばねに対する作動媒体
の空気を出し入れするための４方弁タイプのサーボバル
ブと、前記一対の空気ばねの差圧を検出する差圧計と、
前記一対の空気ばねで支持される除振台の振動を計測す
る振動計測手段と、前記除振台の位置を計測する位置計
測手段と、前記振動計測手段の計測値に基づく加速度フ
ィードバックと、前記位置計測手段の計測値に基づく位
置フィードバックと、前記差圧計の計測値に基づく圧力
フィードバック、とを備えたことを特徴とする請求項１
記載の空気ばね式能動的除振装置。
【請求項３】前記能動的支持脚内の空気ばねは一対の
空気ばねであり、前記一対の各空気ばねごとに作動媒体
の空気を出し入れするための３方弁タイプのサーボバル
ブと、前記各空気ばねごとの圧力を検出する圧力計と、
前記一対の空気ばねで支持される除振台の振動を計測す
る振動計測手段と、前記除振台の位置を計測する位置計
測手段と、前記振動計測手段の計測値に基づく加速度フ
ィードバックと、前記位置計測手段の計測値に基づく位
置フィードバックと、前記各圧力計の出力から演算した
差圧に基づく圧力フィードバックと、を備えたことを特
徴とする請求項１記載の空気ばね式能動的除振装置。
【請求項４】前記能動的支持脚内の空気ばねは一対の
空気ばねであり、前記一対の各空気ばねごとに作動媒体
の空気を出し入れするための３方弁タイプのサーボバル
ブと、前記一対の各空気ばねごとの圧力を検出する圧力
計と、前記一対の空気ばねで支持される除振台の振動を
計測する振動計測手段と、前記除振台の位置を計測する
位置計測手段と、前記圧力計の計測値に基づく前記一対
の各空気ばねごとの圧力フィードバックと、前記振動計
測手段の計測値に基づく加速度フィードバックと、前記
位置計測手段の計測値に基づく位置フィードバック、と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の空気ばね式能
動的除振装置。
【請求項５】前記能動的支持脚内の空気ばねは一対の
空気ばねであり、前記一対の各空気ばねごとに作動媒体
の空気を出し入れするための３方弁タイプのサーボバル
ブと、前記一対の各空気ばねごとの圧力を検出する圧力
計と、前記一対の空気ばねで支持される除振台の振動を
計測する振動計測手段と、前記除振台の位置を計測する
位置計測手段と、前記圧力計の計測値に基づく前記一対
の各空気ばねごとの圧力フィードバックと、前記振動計
測手段の計測値に基づく加速度フィードバックと、前記
位置計測手段の計測値に基づく位置フィードバック、と
を備え、前記一対の各空気ばねに対する圧力フィードバ
ックのどちらか一方には前記加速度フィードバックと前
記位置フィードバックとが生成する制御信号を印加しな
いことを特徴とする請求項１記載の空気ばね式能動的除
振装置。
【請求項６】前記能動的支持脚内の空気ばねは一対の
空気ばねであり、前記一対の各空気ばねごとに作動媒体
の空気を出し入れするための３方弁タイプのサーボバル
ブと、前記一対の空気ばねの圧力差を検出する差圧計
と、前記一対の空気ばねで支持される除振台の振動を計
測する振動計測手段と、前記除振台の位置を計測する位
置計測手段と、前記差圧計の計測値に基づく前記一対の
空気ばねに対する圧力フィードバックと、前記振動計測
手段の計測値に基づく加速度フィードバックと、前記位
置計測手段の計測値に基づく位置フィードバック、とを
備えたことを特徴とする請求項１記載の空気ばね式能動
的除振装置。
【請求項７】前記能動的支持脚内の空気ばねは一対の
空気ばねであり、前記一対の各空気ばねごとに作動媒体
の空気を出し入れするための３方弁あるいは４方弁のサ
ーボバルブと、前記一対の空気ばねごとの加重を検出す
る加重計測手段と、前記一対のの空気ばねで支持される
除振台の振動を計測する振動計測手段と、前記除振台の
位置を計測する位置計測手段と、前記加重計測手段の計
測値に基づく前記一対の空気ばねに対する加重フィード
バックと、前記振動計測手段の計測値に基づく加速度フ
ィードバックと、前記位置計測手段の計測値に基づく位
置フィードバック、とを備えたことを特徴とする請求項
１記載の空気ばね式能動的除振装置。
【請求項８】前記加重計測手段がロードセンサである
ことを特徴とする請求項７記載の空気ばね式能動的除振
装置。
【請求項９】前記加速度フィードバックと前記位置フ
ィードバックは除振台の運動モードに基づく非干渉化制
御系であり、各能動的支持脚に対する圧力フィードバッ
クまたは加重フィードバックは各能動的支持脚ごと独立
に備えていることを特徴とする請求項２〜８の何れかに
記載の空気ばね式能動的除振装置。
【請求項１０】前記複数の能動的支持脚で支えられる
前記除振台には、シリコンウエハ上にマスクパターンを
露光する装置を載置していることを特徴とする請求項１
〜９記載の空気ばね式能動的除振装置。