JP3789750B2

JP3789750B2 - アクティブ除振装置

Info

Publication number: JP3789750B2
Application number: JP2000387121A
Authority: JP
Inventors: 昌典斎藤; 一樹佐藤; 設治篠田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: JP2002188679A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は除振台テーブルに軸受に回転体磁気軸受装置を用いて機械装置を搭載したアクティブ除振装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動を極度に嫌う電子顕微鏡、半導体製造装置等の機械装置は、空気ばね、又はゴムを用いた受動制御型の除振装置に代わり、除振台テーブルの重量の大部分を弾性バネで支持すると共に、電磁アクチュエータの制御で振動を除去するように構成されたアクティブ除振装置がある。図１はこの種のアクティブ除振装置の概略構成を示す図である。アクティブ除振装置１０は、除振台ベース１１と除振台テーブル１２を具備し、除振台テーブル１２は除振台ベース１１上に設置された空気バネ等の弾性バネ１３で支持されている。除振台ベース１１と除振台テーブル１２の間には電磁アクチュエータ１４が配置され、該電磁アクチュエータ１４をアクティブ除振制御装置１５で制御して振動を除去するようになっている。なお、１６は除振台テーブル１２の振動を検出する振動センサである。
【０００３】
図２はアクティブ除振制御装置１５の構成例を示す図である。アクティブ除振制御装置１５は振動検出手段１５−１、位置検出手段１５−２、除振制御演算手段１５−３及び駆動制御部１５−４を具備する。振動検出手段１５−１は振動センサ１６の水平方向の振動を検出する水平方向振動センサ１６ａ及び鉛直方向の振動を検出する鉛直方向振動センサ１６ｂの出力信号から除振台テーブル１２の振動を検出し、その検出信号を除振制御演算手段１５−３に出力する。位置検出手段１５−２は除振台テーブルの変位を検出する変位センサ１７（電磁アクチュエータ１４内に内蔵）の出力信号から除振台テーブル１２の位置を検出しその検出信号を除振制御演算手段１５−３に出力する。
【０００４】
除振制御演算手段１５−３は振動検出手段１５−１及び位置検出手段１５−２の検出信号から除振台テーブル１２の振動を除去するための位置制御信号を得るための除振制御演算を行い、除振制御信号を駆動制御部１５−４を介して電磁アクチュエータ１４に出力する。ここで水平方向振動センサ１６ａ、鉛直方向振動センサ１６ｂ及び振動検出手段１５−１を通るループＬ１を絶対系フィードバックループといい、変位センサ１７及び位置検出手段１５−２を通るループＬ２を相対系フィードバックループという。
【０００５】
また、このようなアクティブ除振装置１０の除振台テーブル１２に搭載される機械装置は、高真空を必要とする電子顕微鏡等の半導体検査装置や半導体製造装置であり、半導体ウエハの加工処理や製造過程において真空ポンプで真空にし、且つ振動の除去を必要とする。高真空を発生するための手段として、例えば回転体の軸受に磁気軸受装置を用いたターボ分子ポンプがある。
【０００６】
図３は従来の回転体磁気軸受制御装置の構成例を示す図である。回転体磁気軸受制御装置２０は回転体変位検出手段２１、回転***相補償回路２２及び回転体磁気軸受制御出力手段２３を具備する。回転体変位検出手段２１は回転体磁気軸受３０の回転体３１の変位を検出する回転体変位センサ３２の変位検出出力から回転体３１の変位を検出する。該変位検出信号は回転***相補償回路２２で位相補償及び増幅され、回転体磁気軸受制御出力手段２３に出力され、該回転体磁気軸受制御出力手段２３から回転体磁気軸受３０を構成する鉛直方向磁気コイル３３及び水平方向磁気コイル３４に駆動電流を通電する。これを相対系フィードバックループＬと言う。
【０００７】
上記アクティブ除振装置の除振台テーブル上に回転体の軸受に磁気軸受装置を用いた機械装置を搭載する場合は、除振台テーブルの振動を除去する為に必要な各所に高性能の加速度センサを設置する必要があり、価格が高価となり、取り扱い上に問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で且つ除振台テーブルに取り付ける高性能の振動センサの少なくとも一部を削除できる安価なアクティブ除振装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため請求項１に記載の発明は、軸受に回転体磁気軸受装置を用いる機械装置と、該機械装置の回転体磁気軸受装置を搭載する除振台テーブルと、該除振台テーブルを支持する弾性バネと、該除振台テーブルを電磁石によって振動制御する電磁アクチュエータと、該除振台テーブル上の振動を検出する第１振動検出手段と、該除振台テーブルの変位を検出する変位センサと、該第１振動検出手段の第１振動検出出力と該変位センサの変位検出出力により除振台テーブルの振動を除去する制御信号を得るための除振制御演算を行う除振制御手段を具備し、該除振制御手段で電磁アクチュエータを制御して振動を除去するように構成したアクティブ除振装置において、回転体磁気軸受装置の変位検出出力又は回転体磁気軸受駆動電流のフィードバックループ信号を除振制御手段に第２振動検出出力として入力し、該除振制御手段は該第２振動検出出力と第１振動検出出力とを振動検出出力として除振制御演算を行うことを特徴とする。
【００１０】
上記のように回転体磁気軸受装置の変位検出出力又は回転体磁気軸受駆動電流のフィードバックループ信号を除振制御手段に第２振動検出出力として入力し、該除振制御手段は該第２振動検出出力と第１振動検出出力とを振動検出出力として除振制御演算を行なうので、少なくとも除振台テーブルの例えば水平方向の振動を検出する振動センサを削除することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアクティブ除振装置において、回転体磁気軸受装置の変位検出出力又は該回転体磁気軸受駆動電流のフィードバックループ信号をローパスフィルタとハイパスフィルタを介して前記第２振動検出出力とすることを特徴とする。
【００１２】
上記のように回転体磁気軸受装置の変位検出出力又は該回転体磁気軸受駆動電流のフィードバックループ信号をローパスフィルタを通すことにより積分し回転体磁気軸受の特有の成分を除去し、ハイパスフィルタを通すことにより微分し直流成分を除去し加速度センサに類似した第２振動検出手段で水平方向の振動を検出する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図４及び図５は本発明に係るアクティブ除振装置を用いる装置の構成例を示す図で、図４は全体構成を、図５は一部構成をそれぞれ示す。１０はアクティブ除振装置であり、該アクティブ除振装置１０は除振台設置床４１面上に設けられた機械装置架台４２上に設置されている。アクティブ除振装置１０上には機械装置４３が搭載されている。該機械装置４３は図５に示すように、例えばターボ分子ポンプ等の回転機械装置４４を具備し、該回転機械装置４４は後に詳述するような回転体主軸が磁気軸受で浮上支持されるようになっている。
【００１４】
図６はアクティブ除振装置１０の電磁アクチュエータ１４の構成例を示す図で、電磁アクチュエータ１４は可動部１４−１と固定部１４−２を具備し、固定部１４−２には水平方向磁気コイル（ラジアル磁気コイル）１４−３及び鉛直方向磁気コイル（アキシャル磁気コイル）１４−４が設けられ、更に水平方向変位センサ１７ａ及び鉛直方向変位センサ１７ｂからなる変位センサ１７が設けられている。可動部１４−１は除振台テーブル１２に固定され、固定部１４−２は除振台ベース１１に固定される。電磁アクチュエータ１４の水平方向磁気コイル１４−３及び鉛直方向磁気コイル１４−４は後に詳述するアクティブ除振制御装置１５’により制御され、除振台テーブル１２の振動を除去するようになっている。
【００１５】
図７は回転機械装置（ここではターボ分子ポンプを示す）４４の断面構成を示す図である。回転機械装置は回転体（回転翼）３１を具備し、該回転体３１の主軸３１ａは鉛直方向磁気コイル（アキシャル磁気コイル）３３及び水平方向磁気コイル（ラジアル磁気コイル）３４を具備する回転体磁気軸受３０により浮上支持されている。鉛直方向磁気コイル３３及び水平方向磁気コイル３４が設けられた静止体３５は図５に示すように除振台テーブル１２に搭載された機械装置４３のケーシング４３ａに固定されている。また、静止体３５には回転体３１の変位を検出する水平方向変位センサ（ラジアル変位センサ）３２ａ及び鉛直方向変位センサ（アキシャル変位センサ）３２ｂを具備する回転体変位センサ３２（図８参照）が設けられている。回転体磁気軸受３０の鉛直方向磁気コイル３３及び水平方向磁気コイル３４は後に詳述するように回転体磁気軸受制御装置２０により駆動制御され、回転体３１を所定位置に浮上支持するようになっている。なお図７において、３６は回転駆動用モータコイルである。
【００１６】
図８は回転体磁気軸受制御装置２０及びアクティブ除振制御装置１５’の構成例を示す図である。回転体磁気軸受制御装置２０は図３と同様、回転体変位検出手段２１、回転***相補償回路２２及び回転体磁気軸受制御出力手段２３を具備する。回転体変位検出手段２１は回転体磁気軸受３０の回転体３１の変位を検出する回転体変位センサ３２（図７の水平方向変位センサ３２ａ、鉛直方向変位センサ３２ｂ）の変位検出出力から回転体３１の変位（水位方向変位、鉛直方向変位）を検出する。該変位検出信号は回転***相補償回路２２で位相補償及び増幅され、回転体磁気軸受制御出力手段２３に出力され、該回転体磁気軸受制御出力手段２３から回転体磁気軸受３０を構成する鉛直方向磁気コイル３３及び水平方向磁気コイル３４に駆動電流を通電する。
【００１７】
アクティブ除振制御装置１５’は第１の振動検出手段１５’−１、第２の振動検出手段１５’−２、位置検出手段１５’−３、除振制御演算手段１５’−４及び駆動制御部１５’−５を具備する。回転体磁気軸受制御装置２０の水平方向磁気コイル３４に通電される電流は、水平方向電流検出器１８で検出され、ローパスフィルタ・ハイパスフィルタ１９を通して積分・微分され、アクティブ除振制御装置１５’の第２の振動検出手段１５’−２に出力される。該第２の振動検出手段１５’−２はこの検出電流より、水平方向の振動を検出しその検出出力を除振制御演算手段１５’−４に出力する。
【００１８】
第１の振動検出手段１５’−１は鉛直方向振動センサ１６ｂの出力から鉛直方向の振動を検出しその検出出力を除振制御演算手段１５’−４に出力する。また、位置検出手段１５’−３は変位センサ１７から除振台テーブル１２の位置を検出し、その検出出力を除振制御演算手段１５’−４に出力する。
【００１９】
除振制御演算手段１５’−４は第１の振動検出手段１５’−１、第２の振動検出手段１５’−２及び位置検出手段１５’−３の検出信号から除振台テーブル１２の振動を除去するための除振制御信号を得るための除振制御演算を行い、除振制御信号を駆動制御部１５’−５を介して電磁アクチュエータ１４の水平方向磁気コイル１４−３及び鉛直方向磁気コイル１４−４（図６参照）に駆動制御電流を通電し除振台テーブルの振動を除去する。
【００２０】
図９は回転体磁気軸受制御装置２０の回転体の変位検出例を示す図である。回転体３１が機械的中心に位置している場合は、Ｘ軸方向における回転体３１と変位センサ３２ａ（＋Ｘ）との間隔Ｇａｐ（＋）及び回転体３１と変位センサ３２ａ（−Ｘ）との間隔Ｇａｐ（−）が等しくなる。この時、回転体変位検出手段２１のＸ軸方向検出出力は０電位となり、回転体３１が変位センサ３２ａ（＋Ｘ）側に寄れば間隔Ｇａｐ（＋）と間隔Ｇａｐ（−）の差に比例した変位検出信号が得られる。変位センサ３２ａ（＋Ｙ）と変位センサ３２ａ（−Ｙ）を有するＹ軸方向も同様である。また、図示は省略するが鉛直方向の変位を検出する場合も同様である。
【００２１】
回転体変位検出手段２１から回転***相補償回路２２で増幅された駆動電流指令値は、回転体３１のアンバランスも含まれるが、一般に磁気軸受で支持されている回転体の回転速度は４００Ｈｚ以上であり、上記アンバランスの周波数成分も同等値となる。また、回転体の固有振動数も回転速度以上に設定されているので、アクティブ除振装置１０を制御する周波数帯域１００Ｈｚ以下とは干渉しない。
【００２２】
水平方向磁気コイルに流れる電流は駆動電流指令値と回転体を磁気軸受支持する為のバイアス電流が加算された総合的制御電流であるので、その電流値を水平方向電流検出器１８で検出し、ローパスフィルタ・ハイパスフィルタ１９の１００Ｈｚ（回転体の場合は４０Ｈｚ）のローパスフィルタ部で積分することで、回転体磁気軸受３０の特有の成分を除去する。そして直流成分を除去するためにハイパスフィルタ部で微分し、加速度センサに類似した第２の振動検出手段で水平方向の振動を検出することができる。
【００２３】
第２の振動検出手段１５’−２は、第１の振動検出手段より周波数特性が狭いが、過大振動の有無の補助手段としても使用することができる。微振動の場合は第１の振動検出手段１５’−１で制御し、且つ制御範囲を逸脱した過大振動の場合は第２の振動検出手段１５’−２で振動抑制或いは制御する。
【００２４】
なお、上記例では回転体磁気軸受３０の水平方向磁気コイル３４に流れる電流を水平方向電流検出器１８で検出して水平方向の振動を検出する場合を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば鉛直方向磁気コイル３３に流れる電流を検出し、鉛直方向の振動を検出するように構成し、除振台テーブル１２に設けられる振動センサ１６の鉛直方向振動センサ１６ｂを省略するようにしてもよい。また、鉛直方向磁気コイル３３と水平方向磁気コイル３４に流れる電流を検出し、水平方向振動センサ１６ａ及び鉛直方向振動センサ１６ｂを具備する振動センサ１６を省略してもよい。
【００２５】
また、回転体磁気軸受３０の回転体変位センサ３２の水平方向変位センサ３２ａ及び鉛直方向変位センサ３２ｂの検出出力のいずれか一方又は双方を図示しない振動検出手段に導き、その振動検出出力を除振制御演算手段１５’−４に出力し、除振台テーブル１２に設けた水平方向振動センサ１６ａ及び鉛直方向振動センサ１６ｂのいずれか一方又は双方を省略してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように各請求項に記載の発明によれば下記のような優れた効果が得られる。
【００２７】
請求項１に記載の発明によれば、回転体磁気軸受装置の変位検出出力又は回転体磁気軸受駆動電流のフィードバックループ信号を除振制御手段に第２振動検出出力として入力し、該除振制御手段は該第２振動検出出力と第１振動検出出力とを振動検出出力として除振制御演算を行なうので、簡単な構成で除振台テーブルに取り付ける高性能の除振センサの少なくとも一部を削除することができる。
【００２８】
請求項２に記載の発明によれば、回転体磁気軸受装置の変位検出出力又は該回転体磁気軸受駆動電流のフィードバックループ信号をローパスフィルタを通すことにより積分し回転体磁気軸受の特有の成分を除去し、ハイパスフィルタを通すことにより微分し直流成分を除去し加速度センサに類似した第２振動検出手段で水平方向の振動を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アクティブ除振装置の概略構成例を示す図である。
【図２】アクティブ除振制御装置の構成を示す図である。
【図３】従来の回転体磁気軸受制御装置の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係るアクティブ除振装置を用いる装置構成例を示す図である。
【図５】図４に示す装置の一部構成を示す図である。
【図６】本発明に係るアクティブ除振装置の電磁アクチュエータの構成例を示す図である。
【図７】本発明に係るアクティブ除振装置に搭載する回転機械装置の構成例を示す図である。
【図８】本発明に係るアクティブ除振装置の制御装置の構成例を示す図である。
【図９】回転体磁気軸受制御装置の回転体の変位検出例を示す図である。
【符号の説明】
１０アクティブ除振装置
１１除振台ベース
１２除振台テーブル
１３弾性バネ
１４電磁アクチュエータ
１４−１可動部
１４−２固定部
１４−３水平方向磁気コイル
１４−４鉛直方向磁気コイル
１５’ アクティブ除振制御装置
１５’−１第１の振動検出手段
１５’−２第２の振動検出手段
１５’−３位置検出手段
１５’−４除振制御演算手段
１５’−５駆動制御部
１６振動センサ
１７変位センサ
１８水平方向電流検出器
１９ローパスフィルタ・ハイパスフィルタ
２０回転体磁気軸受制御装置
２１回転体変位検出手段
２２回転***相補償回路
２３回転体磁気軸受制御出力手段
３０回転体磁気軸受
３１回転体
３２回転体変位センサ
３３鉛直方向磁気コイル
３４水平方向磁気コイル
３５静止体
３６回転駆動用モータコイル
４１除振台設置床
４２機械装置架台
４３機械装置
４４回転機械装置

Claims

軸受に回転体磁気軸受装置を用いる機械装置と、該機械装置の回転体磁気軸受装置を搭載する除振台テーブルと、該除振台テーブルを支持する弾性バネと、該除振台テーブルを電磁石によって振動制御する電磁アクチュエータと、該除振台テーブル上の振動を検出する第１振動検出手段と、該除振台テーブルの変位を検出する変位センサと、該第１振動検出手段の第１振動検出出力と該変位センサの変位検出出力により除振台テーブルの振動を除去する制御信号を得るための除振制御演算を行う除振制御手段を具備し、該除振制御手段で前記電磁アクチュエータを制御して振動を除去するように構成したアクティブ除振装置において、
前記回転体磁気軸受装置の変位検出出力又は回転体磁気軸受駆動電流のフィードバックループ信号を前記除振制御手段に第２振動検出出力として入力し、該除振制御手段は該第２振動検出出力と前記第１振動検出出力とを振動検出出力として前記除振制御演算を行うことを特徴とするアクティブ除振装置。
請求項１に記載のアクティブ除振装置において、
前記回転体磁気軸受装置の変位検出出力又は該回転体磁気軸受駆動電流のフィードバックループ信号をローパスフィルタとハイパスフィルタを介して前記第２振動検出出力とすることを特徴とするアクティブ除振装置。