JP6957227B2 - 空気圧式アクチュエータ、及び能動的防振システムの動作方法 - Google Patents

空気圧式アクチュエータ、及び能動的防振システムの動作方法 Download PDF

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Description

本発明は、とりわけ固定防振システムにおいて使用するように構成された空気圧式アクチュエータに関する。
さらに、本発明は、能動的防振システムの動作方法、及び空気圧式アクチュエータを備えた防振システムにも関する。
具体的には、本発明は、半導体デバイス加工のためのリソグラフィシステム及び/又は度量衡システムを防振的に支持するために使用する、固定された、すなわち動かないように設置された防振システムに関する。
本出願は、2016年6月23日に出願された欧州特許出願第16175909.7号の優先権を主張するものであり、この文献の開示はその全体が引用により組み入れられる。
通常、とりわけ半導体加工のためのリソグラフィ装置又は度量衡装置を支持するために使用されるような固定防振システムは、複数の防振装置上に取り付けられたテーブルで構成される。
慣例からは、とりわけ地震性振動、又は防振すべき負荷(機械)によって生じる振動を相殺する能動的制御システムを備えた能動的防振システムが知られている。例えば、床上及び/又は防振すべき負荷上に配置されたセンサを用いて振動を測定することができる。取得された測定値を制御装置が使用して、能動的防振のためのアクチュエータを駆動するために使用される補償信号を能動的に生成する。慣例では、空気圧式又は機械式(例えば、コイルばね)防振装置内又はこのような装置上に配置された、主に磁気によるアクチュエータを用いて対抗力を生じる。
加工する半導体デバイスのサイズと共に、この目的で使用するシステムのサイズも増加する。従って、アクチュエータがもたらす必要のある反力はますます大きくなり、これによって電動アクチュエータの使用はさらに困難になる。この結果、磁気的原理に従って動作する複数のアクチュエータを1つの作用方向に並列に接続することが必要になる。このことは、利用可能な設置空間が制限されることに起因して、用途によっては複雑又は不可能である。磁気アクチュエータの使用は、アクチュエータからの常に存在する放熱によってさらに制限される。
確かに、磁気アクチュエータを駆動する必要性は、防振システムの空気圧レベルの制御を能動的防振に組み込むことによって低下させることができる。しかしながら、このことは、必ずしも上述した短所を排除するのに十分ではない。
欧州特許出願公開第2759736号明細書(Integrated Dynamics Engineering社)には、コイルばねを備えた機械的防振装置が開示されている。
欧州特許出願公開第2998611号明細書(Integrated Dynamics Engineering社)には、交換可能な板ばねアセンブリを通じて適合できる特性の空気ばねを備えるとともに、水平方向に防振効果をもたらす屈曲ペンデュラムを備えた防振装置が開示されている。
欧州特許出願公開第2759736号明細書 欧州特許出願公開第2998611号明細書
しかしながら、通常、ベローズ形シリンダ、空気圧人工筋及び空気圧シリンダなどの慣例から知られている空気圧式アクチュエータは、シリンダとピストンとの間に存在する摩擦力、及び/又は実際の作用方向に対して横向きに存在する力成分に起因して1方向にしか効果的でなく、一般的な固定防振システムの防振装置にはそれほど適していない。
本発明は、この背景に鑑み、先行技術の短所を軽減するという目的に基づくものである。
具体的には、本発明は、能動的固定防振システムにも適した空気圧式アクチュエータを提供することを目的とする。
本発明の目的は、独立請求項のいずれかに記載の空気圧式アクチュエータ、及び能動的防振システムの動作方法によって既に達成されている。
従属請求項の主題、明細書及び図面からは、本発明の好ましい実施形態及び改善が明らかになる。
本発明は、空気圧式アクチュエータ、すなわち、とりわけ空気圧によって動作するアクチュエータに関する。
この空気圧式アクチュエータは、とりわけ半導体デバイス加工機械及びシステムを防振的に支持するために使用されるような固定防振システムにおいて使用されるように構成される。
空気圧式アクチュエータは、ピストンを含む作動空間を備える。ピストンは、その軸方向の運動方向に力を生じるように作動空間内で動くことができる。
作動空間は、ピストンが両側から圧力を受けることによって単純な形で2つの逆方向に力を生じることができるように、ピストンによって第1の圧力室及び第2の圧力室に分割される。
ピストンの動きによって生じる摩擦力及び振動を最小化するために、ピストンは作動空間の内面から間隙によって離間する。
従って、ピストンは、作動空間によって画定されるシリンダによって導かれるのではなく、むしろ通常の動作状態中にピストンが作動空間の内面に係合しないように作動空間の内面から十分に離間する。
しかしながら、本発明によれば、ピストンは、軸方向、すなわちピストンの作用方向にしか動くことができず、すなわち空気圧式アクチュエータは、正確に1つの空間方向に力を生じるように設計される。
ピストンが作用方向に対して横向きに傾斜又は変位するのを防ぐことにより、アクチュエータの駆動時に所望の作用方向に対して横向きに生じる力が最小化又は防止される。
好ましい実施形態では、ピストンが、互いに間隔を空けた少なくとも2つの板ばねによって軸方向に導かれる。
とりわけ、一方の板ばねを第1の圧力室内に配置し、さらなる板ばねを第2の圧力室内に配置することが検討される。
これらの板ばねは、ピストンが作用方向に対して横向きに傾斜も変位もしないことを保証する。
第1の圧力室と第2圧力室、及びこれらの板ばねは、実質的に鏡面対称であり、すなわちこれらは、ほぼ同じ形状及び同じ寸法を有することが好ましい。
とりわけ、この板ばねとしては、欧州特許出願公開第2998611号明細書に記載されている内側リング及び外側リングを有する板ばねを使用することができる。
第1の圧力室及び第2の圧力室は、それぞれ膜によって密封されることが好ましい。
この膜は、少なくともピストンと内面との間の間隙に及ぶ。
発明の好ましい実施形態では、膜がピストンに及ぶ。
具体的には、作動空間のハウジングに締結され、とりわけ作動空間のハウジングによってクランプ留めされ、別様に作動空間全体に及び、従ってそれぞれの圧力室を既に閉じている膜を使用することが検討される。
このようにして、圧力室のピストン側にとりわけ軽量の密封性をもたらすことができる。
発明の好ましい実施形態では、ピストンが、圧力室内に突出するそれぞれのスペーサを介してそれぞれの板ばねに接続される。
このようにして、板ばねは、作動空間の広い範囲にわたって半径方向に延びることができる。
さらに、本発明の1つの実施形態によって検討されるように、スペーサは、ピストンに膜を固定するために使用することもできる。
本発明の別の実施形態では、ピストンとスペーサが一体に形成される。
とりわけ、スペーサは、それぞれの圧力室内に軸方向に延びるピストンの中心拡張部とすることができる。
本発明の好ましい実施形態では、ピストンが、作動空間の外壁から外に突出する少なくとも1つの拡張部を含む。
この拡張部は、とりわけ円周リングとして構成することができる。
本発明の好ましい実施形態では、ピストンが、複数の横方向に突出する拡張部を備える。具体的には、ピストンは、水平方向に横向きに突出する少なくとも3つの拡張部を備える。
(これらの)拡張部は、防振すべき負荷又は基部(床)にピストンを結合する役割を果たす。
この目的のために、空気圧式アクチュエータは、軸方向に対して横向きに防振性を加える手段を有することが好ましい。
従って、アクチュエータは、基部又は防振すべき負荷から、その作用方向に対して横向きに分離される。このことは、この空間方向におけるアクチュエータの剛性が、作用方向における剛性よりも、具体的には少なくとも10倍小さいことを意味する。
とりわけ、この結合は、ピストンが対称的に力を受けるように、ピストンの円周まわりに分布する少なくとも3地点において行うことができる。
従って、円周リングとして設計された拡張部の代わりに、それぞれが作動空間のハウジングから外に突出する複数の個々の拡張部を使用することもできる。
とりわけ、基に又は防振すべき負荷へのピストンの結合には、屈曲ロッド、屈曲ペンデュラム、ケーブル又はワイヤを使用することができる。
軸方向に対して横向きに防振性を加える手段は、ピストンの作動空間の外部に配置されることが好ましい。
とりわけ、ピストンの作用方向に対して横向きに防振効果をもたらす手段をピストンの作動空間に隣接して横向きに配置することが検討される。
さらに、本発明は、上述した異なる空間方向に効果的な空気圧式アクチュエータを少なくとも2つ備える、防振システムのための防振装置にも関する。
とりわけ、この防振装置は、1つの垂直方向に効果的な空気圧式アクチュエータと、1つの水平方向に効果的な空気圧式アクチュエータとを備えることが検討される。
本発明による防振装置は、とりわけ空気圧式防振装置又は機械式防振装置として、具体的にはコイルばねを含む機械式防振装置として設計され、少なくとも水平方向に効果的なばねに加えて、2つの空気圧式アクチュエータを備える。
さらに、本発明は、上述した空気圧式アクチュエータを備えた能動的防振システムにも関する。とりわけ、この防振システムは、それぞれが少なくとも2つの空気圧式アクチュエータを備えた防振装置を備える。
具体的には、床及び/又は防振すべき負荷の振動を検出する少なくとも1つのセンサに接続され、センサ信号に基づいてフィードフォワード制御を介して補償信号を生成する制御装置を備える、能動的固定防振システムに関連する。
さらに、本発明は、能動的防振システム、とりわけ上述した防振システムの動作方法にも関する。
この方法は、少なくとも1方向に効果的な空気圧式アクチュエータを制御装置によって駆動するステップを含む。
制御装置は、空気圧式アクチュエータの作動空間内の圧力を制御する弁に接続される。
空気圧式アクチュエータよってもたらされる力、及び/又は空気圧式アクチュエータの圧力室内の圧力がセンサによって測定され、制御装置によって収集される。
補償力を生じるために、空気圧式アクチュエータは、弁を通じてアクチュエータの作動空間内の圧力を調整する制御装置によって制御される。
圧力は、圧力室内の流体の非線形特性を考慮して制御される。
空気は、油圧流体とは対照的に圧縮性であり、従って、例えばアクチュエータの作動空間内に空気を流入させる弁の開放時間は、その結果として得られる力に比例しない。
これを、例えばデジタル又はアナログ制御フィルタによって補償することができる。比例スライド弁、比例圧力弁、又は高速切換え弁を使用することもできる。
この方法に使用する空気圧式アクチュエータは、少なくとも1方向に力を生じる。上述したような空気圧式アクチュエータ、すなわち2つの逆方向に力を生じることができるアクチュエータを使用することが好ましい。
本発明による空気圧式アクチュエータの例示的な実施形態の概略断面図である。 アクチュエータの作用方向に対して横向きに防振性をもたらす追加手段を示す、アクチュエータの側部立面図である。 本発明によるアクチュエータを備えた防振装置を含む防振システムの概略図である。 本発明によるアクチュエータの例示的な実施形態の断面図である。 アクチュエータの分解図である。 アクチュエータの分解図である。 既に屈曲ロッドが取り付けられているアクチュエータの斜視図である。 図4〜図7のアクチュエータが取り付けられた、本発明による防振装置の斜視図である。
以下、概略的に示す例示的な実施形態を用いて、図1〜図8の図面を参照しながら本発明の主題をさらに詳細に説明する。
図1は、本発明によるアクチュエータ1の例示的な実施形態の概略断面図である。
空気圧式アクチュエータ1は、ピストン5が動くことができる作動空間3を取り囲むハウジング2を備える。作動空間は、圧縮空気を流入させることができる作業体積を画定する。
作動空間3は、ピストン5によって第1の圧力室4aと第2の圧力室4bとに分割される。
圧力室4aは、空気圧ポート13aを含み、圧力室4bは、空気圧ポート13bを備える。
この別様に密封された圧力室4a及び4bには、ポート13a及び13bを介して圧縮空気を導入することができる。
このようにして、ピストン5によって、軸24に沿った力である力を軸方向に生じることができる。
既知の空気圧シリンダとは対照的に、作動空間3のハウジング2の内面7とピストン5との間には間隙6が設けられ、この結果、ピストン5の移動中に摩擦力が発生しない。間隙6の幅は、少なくとも0.1mmであり、少なくとも0.5mmであることが好ましく、少なくとも1mmであることが最も好ましい。
間隙6を通じて流体が漏れないように圧力室4a及び4bを密封するために、少なくとも間隙6にわたってそれぞれの弾性膜12a、12bが設けられる。
この例示的な実施形態では、膜12a、12bが、ピストン5全体に及ぶと同時にピストン5に接続される。
さらに、膜12a、12bは、その縁部に沿ってハウジング2の外壁25にクランプ留めされる。
ピストン5を軸方向に導くために、圧力室4a及び圧力室4bの両方にそれぞれの板ばね9a、9bが設けられ、それぞれのスペーサ10a及び10bを介してピストン5に接続される。
板ばね9a及び9bは、作動空間3の外壁25にも締結され、具体的には外壁25にクランプ留めされる。
板ばね9a、9bは、必要になるはずの密閉手段を避けるために、圧力室4a及び4b内にそれぞれ締結されることが好ましい。
板ばね9a及び9bは、軸24に対して垂直に延び、具体的には内側リング及び外側リングを有する板ばねとして構成することができる。
ピストン5の両側には、スペーサ10a、10bがそれぞれ固定され、この例示的な実施形態では、ピストン5に膜12a、12bを締結する役割も果たす。
この例示的な実施形態では、空気圧式アクチュエータ1が、その中心を作用方向に延びる軸24に関して、基本的に回転対称な形状を有する。
さらに、第1及び第2の圧力室4a、4b、並びに板ばね9a、9b及び膜12a、12bは、実質的に同一に構成される。板ばね9a及び9bは、その形状及び機能の面から鏡面対称に取り付けられる。
ハウジング2の外壁25は、拡張部8が軸24に対して垂直に突出する開口部11を有する。
拡張部8は、空気圧式アクチュエータ1の動作中に外壁25に係合しないように、開口部11内に十分な隙間を有すると理解されるであろう。
この例示的な実施形態では、拡張部8が円周リングとして構成される。拡張部8は、ハウジングの両半分を結合する構成要素(図示せず)が通って延びる開口部を有することができる。
拡張部8は、基部又は防振すべき負荷にピストン5を結合する役割を果たす。
円周リングの代わりに、空気圧式アクチュエータ1の円周まわりに分散した複数の拡張部(図示せず)を設けることもできると理解されるであろう。
図2は、空気圧式アクチュエータ1の概略的側部立面図であり、この図には、防振すべき負荷15(又は基部)にピストン5を結合する構成要素をさらに示す。
この例示的な実施形態では、拡張部8の円周まわりに拡張部8上の3つの屈曲ロッド14a〜14cが均一に分布して、防振すべき負荷15に接続される。
屈曲ロッド14a〜14cは、空気圧式アクチュエータ1の効果的な軸に対して横向きに防振性をもたらす。
屈曲ロッド14a〜14cは、作用方向(図1の軸24)には高い剛性を示すが、横向きに作用する力には屈服し、これによって基部及び防振すべき負荷を空気圧式アクチュエータ1の作用方向に対して横向きに分離する。
図3は、防振システム16の概略図である。
防振システム16は、とりわけ半導体デバイス(図示せず)を加工するリソグラフィシステム及び度量衡システムを配置できる、防振のために取り付けられたテーブル17を備える。
テーブル17は、床19に結合された複数の防振装置18上に載る。
防振装置18は、空気ばね又は機械ばねとして構成することができる。
防振装置18は、上述した空気圧式アクチュエータ1を少なくとも2つ含み、1つのアクチュエータは、水平空間方向に効果的であり、1つのアクチュエータは、垂直空間方向に効果的である。
防振システムは、さらなるアクチュエータ、具体的にはボイスコイル原理に基づく磁気アクチュエータを備えることもできると理解されるであろう。
この例示的な実施形態では、地震性振動がセンサ20によって検出され、上部にアセンブリが配置されたテーブル17である防振すべき負荷の振動がセンサ21によって検出される。
センサ21及び20からの信号に基づいて、制御装置22が補償信号を生成し、これによって空気圧式アクチュエータ1の圧力室内の圧力を調整する弁23を制御する。
この例示的な実施形態では、1つのそれぞれの弁23しか概略的に示していないが、圧力室の各ポートにそれぞれの弁が設けられることは言うまでもない。
空気が圧縮性であることを考慮するために、アクチュエータ1は、圧力室内の圧力、及び/又はセンサ(図示せず)によって測定された前記空気圧式アクチュエータ(1)の前記ピストン(5)によって生じる力に基づくフィードフォワード制御を通じて制御することができる。
以下、図4〜図7を参照して、本発明によるアクチュエータの例示的な実施形態をさらに詳細に説明する。
図4は、空気圧式アクチュエータ1の断面斜視図である。
この例示的な実施形態では、ピストンが、3つの部品5a〜5cで構成される。
この例示的な実施形態においても、部品5a〜5cで構成されるピストンは、作動空間を2つの圧力室4a、4bに分割する。
スペーサ10aは、板ばね9a及び膜12aをピストンにクランプ留めする。
言うまでもなく、圧力室4aと鏡面対称に配置された下側の圧力室も同様に構成される。
図5は、図4に示すアクチュエータの分解図である。
ここでは、ハウジング(図4の2)の2つの部品が互いに分離され、3つの部品(図4の5a〜5c)で構成されたピストン5が見て取れる。
ピストン5は、横方向外向きに突出する3つの拡張部8a〜8cを有し、これらの拡張部は、この例示的な実施形態ではピストン5の円周まわりにそれぞれ120°の間隔で分布することが分かる。
図6は、上側ハウジング部分及びピストンを省略したさらなる分解図である。
ここでは、特にピストンに板ばね9b及び膜12bを取り付けるために使用されるスペーサ10bが見て取れる。
板ばね9bは、実質的に円形の形状を有し、内側リング及び外側リングを備える。
図7には、上述したアクチュエータ1を示しており、ここではアクチュエータ1の作用方向に対して垂直の防振性をもたらす役割を果たす3つのそれぞれの屈曲バー14a〜14cが両側に取り付けられている。
アクチュエータのハウジング2からは、拡張部8bが横方向外向きに突出していることが分かる。
ハウジング内部には、屈曲ロッド14a及び14cの拡張部が位置する。従って、ハウジングには、屈曲ロッド14a及び14cを通す2つのボアが設けられる。
図8は、能動的防振のために図4〜図7に示すアクチュエータ1を取り付けた防振装置18の斜視図である。
本明細書に示すアクチュエータ1は、水平方向に補償力を生じるために使用される。
防振装置18は、防振を目的として好ましくは垂直方向及び水平方向の両方に効果的なばねを収容するハウジング28を備える。このばねは、空気ばね(図示せず)として構成されることが好ましい。
ハウジング28は、地面への接続を提供する基部26に接続される。
上部27は、ばね上に防振的に支持され、防振すべき負荷への結合に使用される。
アクチュエータ1は、ハウジング28に取り付けられる。
上部27は、屈曲ロッド14a、14bが取り付けられるブラケット29を有する。
屈曲ロッド14a〜14cは、防振される負荷である上部をアクチュエータ1に結合する。
とりわけ、ここでは拡張部8bに接続された屈曲ロッド14bが見て取れる。
屈曲ロッド14a〜14cは、ねじ30によって予め組み込まれる。
アクチュエータの動作中、屈曲ロッド14a〜14cは、張力のみによって負荷を加えられ、防振的に支持された負荷からアクチュエータ1を垂直方向に分離する。
防振装置18は、垂直方向に効果的なさらなるアクチュエータ1(図示せず)をさらに含むことが好ましいと理解されるであろう。
本発明は、大きな力を生じることができる、磁気アクチュエータとの置換に特に適したコンパクトなアクチュエータを提供することができる。
1 空気圧式アクチュエータ
2 ハウジング
3 作動空間
4a、4b 圧力室
5 ピストン
5a〜5c 部品
6 間隙
7 内面
8、8a〜8c 拡張部
9a、9b 板ばね
10a、10b スペーサ
11 開口部
12a、12b 膜
13a、13b ポート
14a〜14c 屈曲ロッド
15 負荷
16 防振システム
17 テーブル
18 防振装置
19 床
20 センサ
21 センサ
22 制御装置
23 弁
24 軸
25 外壁
26 基部
27 上部
28 ハウジング
29 ブラケット
30 ねじ

Claims (16)

  1. とりわけ固定防振システム(16)のために構成された空気圧式アクチュエータ(1)であって、ピストン(5)を含む作動空間(3)を備え、前記ピストン(5)は、前記作動空間を第1の圧力室(4a)と第2の圧力室(4b)とに分割し、前記ピストン(5)は、前記作動空間(3)の内面(7)から間隙(6)によって離間し、前記ピストン(5)は、軸方向にのみ移動可能であり、
    前記ピストン(5)は、互いに間隔を空けた少なくとも2つの板ばね(9a、9b)によって前記軸方向に導かれることを特徴とする、空気圧式アクチュエータ(1)。
  2. 前記板ばね(9a、9b)は、圧力室(4a、4b)内に締結される、請求項1に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  3. 前記第1の圧力室(4a)内に1つの板ばね(9a)が配置され、前記第2の圧力室(4b)内に別の板ばね(9b)が配置される、請求項1又は2に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  4. 前記第1の圧力室(4a)及び前記第2圧力室(4b)は、それぞれ膜(12a、12b)によって密封される、請求項1から3のいずれか1項に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  5. 前記膜(12a、12b)は、前記ピストン(5)にわたる、請求項4に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  6. 前記ピストン(5)は、前記圧力室(4a、4b)内に突出するそれぞれのスペーサ(10a、10b)を通じて前記板ばね(9a、9b)に接続される、請求項2から5のいずれか1項に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  7. 前記ピストン(5)は、前記作動空間(3)の外壁(25)から外に突出する少なくとも1つの拡張部(8)を有する、請求項1から6のいずれか1項に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  8. 前記ピストン(5)は、複数の方向に突出する拡張部(8)を有する、請求項1から7のいずれか1項に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  9. 前記ピストン(5)は、少なくとも3つの横方向に突出する拡張部(8)を有する、請求項1から8のいずれか1項に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  10. 前記空気圧式アクチュエータ(1)は、前記軸方向に対して横向きに防振性を加える手段を備える、請求項1からのいずれか1項に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  11. 前記ピストン(5)は、振すべき負荷(15)又は基部に、少なくとも1つの屈曲ロッド(14a〜14c)、屈曲ペンデュラム、ケーブル又はワイヤを介して接続される、請求項1から10のいずれか1項に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  12. 前記軸方向に対して横向きに防振性を加える前記手段は、前記作動空間(3)の外部に配置される、請求項10に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  13. 前記ピストン(5)は、前記防振すべき負荷(15)又は前記基部に、前記ピストン(5)の円周まわりに分布する複数の屈曲ロッド(14a〜14c)、屈曲ペンデュラム、ケーブル又はワイヤを介して接続される、請求項11に記載の空気圧式アクチュエータ(1)。
  14. 防振システム(16)のための防振装置(18)であって、請求項1から13のいずれか1項に記載の少なくとも空気圧式アクチュエータ(1)を少なくとも2つ備え、該少なくとも2つの空気圧式アクチュエータ(1)は、異なる方向に効果的である、防振装置(18)。
  15. 能動的防振システム(16)であって、求項1から14のいずれか1項に記載の空気圧式アクチュエータ(1)を含む、動的防振システム(16)。
  16. 求項1から15のいずれか1項に記載の能動的防振システム(16)の動作方法であって、
    少なくとも1方向に効果的な空気圧式アクチュエータの作動空間(3)内の圧力を制御する弁(23)に接続された制御装置(22)によって前記空気圧式アクチュエータ(1)を駆動するステップと、
    前記空気圧式アクチュエータ(1)の前記ピストン(5)によって生じる力、及び/又は前記空気圧式アクチュエータ(1)の圧力室(4a、4b)内の圧力を測定するステップと、
    前記制御装置(22)が、前記圧力室(4a、4b)内の流体の非線形特性を考慮して前記空気圧式アクチュエータ(1)を制御するステップと、
    を含む方法。
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