經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ^______B7 五、發明說明（1 ) [技術領域] 本發明係有關使用磁性軸承來作為旋轉體支持機構之 裝置之磁性軸承控制裝置，尤有關適於減小、抑制相對於 λ 不平衡旋轉體之振盪運動之振盪振幅之控制型磁性軸承裝 班* 置。 [背景技術] 第1圖顯示具備反饋控制系統之習知一般控制型磁性 軸承裝置之基本配置。茲為求易於瞭解，除去沿旋轉體1 徑向支持之軸承裝置之一部份，就旋轉體1沿著正交旋轉 體1之Χ-Υ軸平面（橫剖面）之X軸方向之振盪振幅例加以 說明。亦即’圖式者固然以旋轉體1之軸心為中心，橫軸 為X軸’縱軸為Υ軸’在旋轉體1兩側配置位移感測器2 a、 2b與電磁鐵3a、3b於X軸上，根據位移感測器2a、2b之 感測信號控制供至電磁鐵3a、3b之電流。惟，亦於γ韩 -上在旋轉體1之位置兩側同樣配置電磁鐵及位移感測器， 作同樣控制。 如第1圖所示，配置於X軸上在旋轉體1之位置兩侧， 用以檢測旋轉體1徑向位移之位移感測器2a、2b與感測放 大器4連接’位移感測單元由此等位移感測器2a、2b及感 測放大器4構成。感測放大器4之輸出信號係相當於沿旋 轉體1之X軸向之位移之電信號（感測信號）。此感測信號 輸入形成用來保持旋轉體1於所需上浮位置之補價信號之 第一控制單元5。 第一控制單元5係根據感測信號演算第一控制信號作 -------------裝 - - -----訂----I ----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用til國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公爱） 1 311120 436586
五、發明說明（2 ) 為控制電流將其輸出者。此控制信號（控制電流）以個別連 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 接於各電磁鐵3a、3b之功率放大器6a、6b放大而分別供 至各電磁鐵3a、3b之線圈。藉此’各磁鐵33、3b以供至 此各個線圈之電流產生電磁力’於電磁力下，旋轉體1為 電磁鐵3a、3b磁性吸引。如此，響應旋轉體i沿χ軸方 向之位移’將控制電流供至於X軸上對向配置之一對電磁 鐵3a、3b ’予以伺服控制，俾旋轉體1藉其吸引力保持上 浮於中心位置或目標位置。 由於隨著磁性軸承之廣泛適用，有構造、大小等之限 制’故面對下述問題《 例如，若以磁性軸承徑向支持大而無當之旋轉體並使 其旋轉，即會有旋轉體偏心旋轉，造成所謂振盪的情形發 生。於此情形下，若旋轉體之偏心量變大’旋轉體之振盪 範圍即無法納入磁性轴承之觸地間隙内’結果，無法進行 旋轉體之非接觸上浮支持，有裝置損傷之虞。 又，在旋轉體之上浮位置相對於電動機定子非位於該 電動機定子之磁氣中心情形下，與電機之旋轉運動同步之 外力作用在旋轉體上。例如在藉由送風機等之旋轉進行加 工之機械情形下’因為隨著旋轉速度上昇，負荷增加，故 有必要增大電動機輸出，與旋轉運動同步 作用。結果，旋轉體振盈極大，依其程度會極大 更且，在電動機產生與旋轉運動同步之徑向電磁力情 形下，雖然處於旋轉體上浮位置，作為外力起作用之力量 對旋轉體造成極大負擔。於此情形下，亦如同前述，旋轉 Μ氏張尺度適財_家辟（CNS)A4 “（2Wx297公爱） 2 311120 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -丨裝---- 訂---------線一 A7 B7 五、發明說明（3 ) 體振盪極大，依其程度會造成觸地（Touch DQWn>。 一旦適用可對外力產生充份控制力之軸承，問題即均 須解決。惟由於磁性軸承之剛性較滾動軸承、滑動相承小，. 故以磁性轴承保持相等於滾動軸承、滑動轴承之剛性有困 •難'例如，於對向/平方厘米面之空間内，產生丨特斯拉 (Tesla)磁束密度情形之吸引力，根據馬光士威爾感應力方 程式所示，約為40牛頓。於控制型磁性軸承情形下，由於 磁束密度一般為0.5特斯拉程度，故僅獲得約1〇牛頓。 因此，最近藉由推斷與旋轉體旋轉運動同步之外力， 加算平衡此外力之控制信號’將其輸入功率放大器，試作 抑制旋轉體振盪之前饋控制。復咸知有藉由將已知外力與 旋轉趙之旋轉速度同步之正弦波、三角波信號相加，輪入 功率放大器，控制振蘯之開式平衡控制。於任何情形下， 此種控制除需要第1圖所示之在旋轉體1兩側配置之位移 -感測器2a、2b發生之感測信號外，尚需要檢測此旋轉體， 沿軸向位移之位移感測器發出之感測信號、與旋轉體丨旋 轉運動同步之脈波信號等。 [發明概要] 本發明係有鑑於上述情事而開發者’其目的在於提供 一種控制型磁性軸承裝置，其構成係根據檢測旋轉體徑向 位移之位移感測器發出之感測信號，產生控制信號，抑制 旋轉體因與旋轉運動同步之外力而發生之振盪，俾可穩定 支持旋轉體，使其上浮。 ---I----裝 i — i — 1 訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 且與得自與既存電動機控制器之旋轉速度成比例之電
311120 436586 4 311120 A7 五、發明說明（4 ) 壓信號供控制信號輸入功率放大器輪入前信號開關接通、 斷開用，或供旋轉速度成分抽取渡波器動作用。 申請專利範圍第1項所載發明為一種控制型磁性軸承 裝置，其係具備檢測旋轉體徑向位移之位移感測器；根據 發自該位移感測器之感測信號演算第一控制信號而將其輸 出之第一控制單兀’根據該第一控制信號驅動電流之功率 玫大器；以及藉發自該功率放大器之信號產生磁力之電磁 鐵者；特徵在於：具備第二控制單元，其與前述第一控制 單元並列配置，導入前述感測信號，由該感測信號產生變 化其相位之第二控制信號而將其輸出；以及信號合成器， 其將輸出自前述第二控制單元之第二控制信號與輸出自前 述第一控制單元之第一控制信號相加，產生控制信號，將 其輸出至前述功率放大器。 較佳方式中，前述第二控制單元之相位變化量係根據 磁性軸承之外力位移之傳輸特性而設定成適當值，俾抑制 前述旋轉體之振盪β 藉此，旋轉體—發生振盪，位移感測器即出現對應此 振盪之信號。因此，藉由對應此信號’根據磁性軸承之控. 制特性，相對於起振盪作用之外力，施加反方向控制力， 可減小振盪。此控制力藉由根據磁性軸承之控制特性。對 感測信號調整適當量之相&來施加。㈣是’根據磁性轴 ||承之外力/位移之傳輸特性，獲得適於抑制旋轉體振盪之相 位變化量。亦即，參考相對於習知伺服控制配置中功率放 _ 之^入信號之位移感測器之感測信號傳輸特性（放 涵尺砸中國 - 裝·!-----訂---------C,. (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印，製 A7 ---------------- 五、發明說明（5) '' 大相位）資科’決疋第二控制單元内相位調整器之設定 值將所得第一控制單元輸出信號與第一控制單元輸出信 號相加輸入功率放大單元，控制電磁鐵之電流，藉此可 減小旋轉體之振盈。 申清專利範圍第3項所載發明之特徵在於，前述第二 控制早7G具有：自前述感測信號抽取旋轉頻率成分之遽波 器，調整該濾波器之輸出信號之相位之相位調整器；含有 比較該相位調整器之輸出信號與基準電位之比較器之信號 形成器；以及調整該信號形成器之輸出信號之振幅之增益 調整器。藉此’可分離發自位移感測器之感測信號中有關 振幅之資訊，僅取出有關相位之資訊，變化所需相位量， 給與任意增益量，藉此，可獲得適於抑制旋轉體振盪之電 磁鐵之控制力。較佳方式中，使用給與與旋轉速度成比例 之增益之旋轉速度比例增差調整器來作為前述增益調整 器。 申請專利範圍第5項所載發明之特徵在於，前述第二 控制單元具有：變頻濾波器；以及給與適於抑制旋轉體對 應電動機疑轉速度之振廬之相位變化量之裝置。因此，藉 由抽取變頻濾波器之對應於電動機旋轉速度之感測信號， 給與相對於此取出之信號之適於抑制旋轉體振盪之相位變 化量’可相對於任意旋轉速度’進行適當之相位量調整。 因此，可在大的旋轉速度範圍内減小旋轉體之振盪。 較佳方式中’前述給與適於抑制旋轉體對應電動機旋 轉速度之振盪之相位變化量之裝置計測前述磁性軸承之外 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 311120 I I— —I— ^ itlm ^* — 1------線 (請先M讀背面之注意事項再填寫本頁) 436586 A7 ____B7___ 五、發明說明（6 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 力/位移傳輸特性資料’對應旋轉速度予以記憶之記憶體： 以及自前述記憶體讀出調整相位之相位調整器。又，亦可 使用前述磁性軸承之外力/位移傳輸特性近似演算電路來 設定對應於前述電動機旋轉速度之相位變化量。 申請專利範圍第8項所載發明之特徵在於進一步具' 備：接通、斷開前述第二控制單元内信號流之信號開關； 以及比較前述感測信號與基準信號’藉該比較結果接通、 斷開前述信號開關之第三控制單元。 申請專利範圍第9項所載發明特徵在於進一步具備： 第四控制單元’其含有接通、斷開前述第二控制單元内信 號流之信號開關，比較實際旋轉速度與基準信號之比較 器；以及產生接通、斷開前述信號開關之指令信號之信號 產生器。 藉此’於旋轉體振盪大情形下’藉由使發自第二控制 單疋之信號成接通狀態，抑制旋轉體之振盪運動，於旋轉 體振盪小情形下，只要產生一般發自第一控制單元之補償 信號’即可充份保持旋轉體上浮。 較佳地，於前述第二控制單元之含有比較器之信號形 成器後&具備第一旋轉頻率成分抽取器。藉此可自第二控 制單元發出之輸出信號之方波除去其諧波成分’形成低次 正弦波，可防止因諧波造成的雜音產生等障礙^ 較佳方式中，具備：第五控制單元，比較前述第二控 制單元内信號開關接通前之前述感測器輸出與該信號開關 接通時之前述感測器輸出，將變更前述增益調整器之增益
6 311120 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ____B7_____ 五、發明說明（7 ) 設定值之指令值輸出。藉此，可於發自第二控制單元之信 號成接通狀態之際’將此增益調整器之增益設定為適當 值，可給與適於振盪抑制之增益。 [圖式之簡單說明] 第1圖係顯示習知控制型磁性軸承裝置之基本配置之 圖。 第2圖德顯示本發明實施形態之控制型磁性軸承裝置 之基本配置之圖。 第3圖係顯示第2圖之控制系統範例之方塊圖。 第4圖係顯示第2圖中第二控制單元之配置之圖。 第5圖係顯示緩衝放大器、頻率成分抽取器、相位調 整器之電路配置例之圖。 第6圖係顯示信號形成器 '增益調整器之電路配置例 及各部信號波形之圖。 第7A、7B、7C、7D圖係顯示信號形成器變形例之圖。 第8圖係顯示具備接通、斷開信號之信號開關之第二 控制單元配置例之圖。 第9圖係顯示第三控制單元之電路配置例之圖。 第10圖係顯示藉第四控制單元接通、斷開信號之控制 單元配置例之圖。 第11A、11B、11C圖係顯示於第二控制單元内具備第 二頻率成分抽取器情形之配置例之圖。 第12圖係顯示具備調整增益之第五控制單元之控制 型磁性軸承裝置配置例之圖。 I — — — — — In — — - I . I I I I ill ! ---I I I 1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 7 311120 436586^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 -—^---- 五、發明說明（8 ) 第13圖係顯示具備可對應大速度範圍之第六控制單 元之控制型磁性軸承裝置配置例之圖β 第14圖係顯示第六控制單元内部配置例之圖。 -第15人、158、15(：圖係顯示可對應大速度範圍之相位 調整器配置例之圊。 第16圖係顯示為磁性軸承支持之晶圓脫水機之配置 之圖。 第17圖係顯示徑向磁性轴承之伺服控制系統之力/位 移傳輸特性例之圖表。 第18圖係顯示開式平衡控制等效試驗結果之圖表，第 18Α圖顯示位移感測輸出，第18Β囷顯示控制輸出信號， 並顯示控制斷開情形β 第19圖係顯示開式控制等效試驗結果之圖表第ι9α 圖顯示位移感測輪出，第19Β圖顯示控制輪出信號，並顯 示控制接通情形。 第20圖係顯示開式平衡控制對應試驗結果之圖表，第 20Α圖顯示位移感測輸出，第2〇Β圖顯示控制輸出信號， 並顯示控制斷開情形。 第2 1圖係顯示開式平衡控制等效試驗結果之圖表，第 21Α圖顯示位移感測輸出，第21Β圖顯示控制輪出信號， 並顯示控制接通情形。 第22圖係顯示本發明控制單元試驗結果之圖表，第 22Α圖顯示位移感測輸出，第22Β圖顯示控制輸出信號， 並顯示控制斷開情形。 ·' .t--------tr----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 線广 準（CNS)A4 規格（加 χ 297 公爱） 8 311120 經濟部智铥財產局員工消費合作社印.製 A7 _______ ____ B7 —一 — — ρ_· 一— 五、發明說明（9 ) 第23圖係顯示本發明試驗結果之圖表，第23Α圖顯 示位移感測輸出，第23Β圖顯示控制輸出信號，並顯示控 制接通情形。 第24 A、24Β圖係顯示本發明試驗結果之圖表，其為 顯示X軸及Y軸之控制接通時之位移感測輸出之圖表。 第25A、25B圖係顯示本發明試驗結果之圖表，其為 顯示X轴及Y軸之控制斷開後控制接通時之位移感測輪出 之圖表。 第26圖係顯示第2至6圖所示控制電路之增益及相位 之頻率特性例之圖表。 第27圖係顯示本發明另一實施形態之第二控制單元 配置例之圖。 第28A、28B、28C係顯示使用第27圖所示第二控制 單元之晶圓脫水機之陡升/陡降及高速旋轉時旋轉體振盈 特性之實驗數據之圓表。 第29A、29B、29C圖係顯示使用第27圖所示第二控 制單元之晶圓脫水機之陡升/陡降及高速旋轉時旋轉體振 盪特性之另一實驗數據之囷表。 [用以實施發明之最佳形態] 以下一面參照第2圖至第29圖就本發明實施形態加以 說明。且，各圖中相同符號標示相同或相當部份β 第2圖係顯示本發明實施形態之控制型磁性軸承裝置 基本配置之圖。且，如同前述第1圖所示習知例，為求易 於瞭解’除去沿旋轉體1之徑向支持之軸承裝置之一部 - --------HI illlm ^--I ---J I (琦先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 9 311120 436586 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 h 社 印 製 311120 A7 五、發明說明P ) 份，就旋轉體1沿著正交旋轉體i之χ_γ軸平面（橫剖面） 之X軸方向之振盪幅度控制例加以說明。亦即，圖示者固 然以旋轉體1之轴心為中心，橫軸為X軸，縱軸為Υ轴， 在旋轉體1兩側配置位移感測器2a、2b與電磁鐵3a、3b 於X軸上，根據位移感測器2 a、2b之感測信號控制供至 電磁鐵3a、3b之電流’惟亦於γ軸上在旋轉體i之兩側 位置同樣配置電磁鐵及位移感測器，作同樣控制。 如第2圖所示，配置於\軸上在旋轉體丨兩側之位置， 檢測旋轉體1徑向位移之位移感測器2a、2b與感測放大器 4連接，以此等位移感測器2a、2b及感測放大器4構成位 移感測單元。感測放大器4之輸出信號係相當於旋轉體1 沿X軸方向位移之電信號（感測器信號）。此感測器信號輸 入第一控制單元5以及與該第一控制單元5並列配置之第 -控制早元7。 第一控制單元5係根據感測器信號演算第一控制信 號以其作為控制電流輸出者，第二控制單元7係產生由 感測器信號變化其相位之第二控制信號，以其作為控制電 流輸出者。而且，此第一及第二控制信號（控制電流）以信 號合成器8合成（加算），此合成之控制信號以個別連接於 各電磁鐵3a、3b之功率放大器6a、6b放大，分別供至各 電磁鐵3a、3b之線圈。藉此，各電磁鐵3a、3b以供至方 線圈之電流產生電磁力，藉此電磁力，旋轉體丨為電磁性 3a、3b磁性吸引。如此，僅根據位移感測器2a、几檢測 旋轉體1徑向位移之感測器信號輸出，供給控制電流至χ 本紙張尺㈣財關家蘇'(⑶⑽規袼咖χ挪公复）---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 A7 B7 五、發明說明（1 ) 軸上對向配置之一對電磁鐵3a、3b，予以伺服控制，俾旋 轉體1藉其吸引力保持上浮於中心位置或目標位置。 第3圖係以方塊圖顯示第2圖所示控制系統範例之威 測放大器4、第一控制單元5、第二控制單元7、功率放大 單元6a、6b、電磁鐵3a、3b及磁性轴承之圖。於此，磁 性轴承由旋轉體之質量Μ及磁性轴承複合剛性Ku，在圖 示函數（1/MS2，K)下’顯現其為最單純系統。且，於此函 數中’ S表示拉普拉斯運算子（Laplace 〇perat〇r)。 第4圖顯示第二控制單元7之配置例。第二控制單元 7由缓衝放大器7a、旋轉頻率成分抽取器71)、相位（相移） 調整器7c'含比較器之信號形成器以及增益調整器7e 構成。藉此’以本身為渡波器之旋轉頻率成分抽取器7b 自以緩衝放大器7a放大之感測器信號柚取旋轉頻率成 分’以相位調整器7 c調整此抽取之信號之相位，此後，以 比較器比較此相位調整器7c之輸出信號與基準電位，形成 相對於Ο V沿正負方向振盪之信號，將以增益調整器7 e調 整振幅之信號輸出至信號分成器8。 亦即’藉由使感測器信號通過旋轉頻率成分抽取器 7b’抽取對應於電動機旋轉速度之信號成分，更以相位調 整器7c給與任意相位（相移）調整量，以含有比較器之信號 形成器接收所獲得之信號，藉此，信號對應於電動機旋轉 速度之頻率及相位資訊固然傳輸至下游。惟，振幅資訊部 被遮斷。且由於須進行此信號處理，故使用含有比較器者 來作為信號形成器7d 〇 ---I------ - ------1 訂 -- -----I 線 (請先M讀背面之注意事項再填寫本頁> 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 11 311120 436586 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（12) 第5囷顯示第二控制單元7之緩衝放大器7a、旋轉頻 率成分抽取器7b、相位調整器7c之具體電路配置例。如 第7圖所示’此各個機器由於用演算放大器與CR元件簡 單構成。亦即’緩衝放大器7a係使用演算放大器之放大 器’旋轉頻率成分抽取器7b係組合演算放大器與CR元杯 之渡波器電路。相位調整器7c亦同樣為組合演算放大器與 CR TL件之電路’可藉由調整連接於觸地側之體積進行相 位量調整。 此等電路抽取與來自位移感測器2a、2b之感測器信號 同步之頻率成分之正弦波，藉由調整相位調整器7c之體積 進行相位調整。亦即’藉由可變電阻之體積，可作〇至 180[度]之相位調整β 第6圖顯示含有比較器之信號形成器7d、增益調整器 7e之電路配置例及各部之信號波形β 如第6圖所示’信號形成器7d為比較器713、711)與 進行is號反轉之演算放大器72a、72b組合之電路，其如後 述’形成相對於0V(接地電位）於+侧及_側振盪之輸出信 號。增益調整器7e係由演算放大器72c構成之放大器。 來自相位調整器7c之輸出係如①所示之正弦波，其一 分為二，一信號藉比較器71a與基準電位比較，輸出②所 示方波波形。另一信號輸入反相器2a'比較器71b’其波 形如③所示’獲得與②倒反之方波波形。更且，以反相器 72b倒反此波形，藉此，其波形如④所示。並且，藉由以 增益調整器7e之放大器調整振幅並將其合成，形成⑤所示 ------------- -裝------訂-丨-------線 1 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） 12 311120 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 -------- B7 --- — 五、發明說明（I3) 以接地電位為令心上下振盪之方波。且’此增益調整器& 兼用第1圖所示習知控制裝置配置於驅動電磁鐵之電力放 大電路内者。 如由上述第二控制單元7之電路構成例所明示，自第 二控制單元7僅取出有關感測器信號頻率及相位之資訊， 輸出其相位經過調整者，以信號合成器8與第一控制單元
5之信號相加。因此，有關感測器信號搌幅之資訊不會傳 輸至下游側D 於此，第二控制單元7之旋轉頻率成分抽取器7b亦可 例如為第5圖所示類比電路構成之帶通濾波器，復可為市 售功能模組之電壓調諧型帶通濾波器。此電壓調諧型帶通 慮波器係可將通過頻率調整為對應於來自外部之電壓信號 〇至ιο(ν)之中心頻率者，相當於例如NF電路設計公司之 型錄之NO. D98X-D16-23A2所載VT-2BPA型式、第帖爾 公司之資料表單N0.85/9/5K/13.2所載FLJ-VB型式等。 第7圖係顯示信號形成器7d變形例之圖。相對於第6 圖所不信號形成器7d使用數個比較器及演算放大器，此例 可配置二個演算放大器，亦即使用演算放大器之比較器 U，以及同樣使用演算放大器之反相放大器（反相器）78 ’ 具有同等功能之電路。 於此’比較器77使用如第7B或7c圖所示具有輸入、 輪出特性之非線性元件。藉由使用具有此種輸入特性之比 較器77 ’可如第7D圖所示，以極簡單配置，形成相對於 正弦波輸入信號①以D伏特為中心於正負側振盪之方波信 -------------裝 -------訂 ---------線 f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 本紙張尺度適时國國家標準（CNS)A4規格挪公幻 13 311120 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 436586 A7 一 B7 五、發明說明（14) 號⑤。並且’如同第6圖所示電路’彳為僅有感測信號之 頻率成分及相位丨分傳輸至下游側，振幅成分+會傳輸至 下游側之配置。 第8圖所示係於第二控制單元7之增益調整器&後段 設有信號開關7f ’進一步具備第三控制單元9，比較感_ 器信號與基準信號，在感測器信號高於基準情形下，亦即 在擺振大於預定值情形下，信號開關7f接通。 亦即，其係具備接通、斷開第二控制單元7内信號流 之信號開關7f，以及比較位移感測器2a、2b之感測信號 與基準信號而接通、斷開信號開關7f之第三控制單元9 , 僅在感測器信號高於預定纟準值情形下，接通信號開關 7f，第二控制單元7之輪出信號與第一控制單元5之輸出 信號相加者。 第9圖顯示第三控制單元9之配置例。第三控制單元 9由比較器73a、73b、反相放大器74、反相器75a、7讣 及加算器76構成。 第Ϊ0囷所示係具備第四控制單元〗〇，比較與發自電 動機控制器之與旋轉速度成比例之電壓信號與基準信號，· 在電廢信號高於基準信號情形下，接通信號開關7f者。此 第四控制單元10具備比較實際旋轉速度信號與基準信號 之比較器10a’以及產生對設於第二控制單元7内用以盛 通、斷開信號流之信號開關7 f之通、斷指令信號之信號產 生器10b 。 藉此’第8圖所示實施形態相對於以感測信號為基準 . ^--------t---------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 14 311120 A7 A7 經 濟 .部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 15 311120 五、發明說明（^) 進行第二控制單元7内信號開關7f之通斷者，於本例中， 以發自電動機控制器之旋轉速度信號為基準，亦即，於電 動機之旋轉速度大於預定值情形下，可進行第二控制單元 7内信號開關7 f之通斷。 第Π圖顯示第二控制單元7之配置之變形例，第1 j a 圖所示者於第二控制單元7内之增益調整器“後段，具備 具有與旋轉頻率成分抽取器几相同功能，本身為濾波器之 旋轉頻率成分抽取器7b，。藉此，可由方波狀信號形成與 旋轉頻率同步之低次正弦波信號。因此’固然相較於以波 形信號為控制輸出，輸入功率放大器時，旋轉體振盪之抑 制效果低一些’惟由於無謂波成分之電流流動，故不會激 勵高次模式之摄湯。 第11B圖係更換第11A圖中旋轉頻率成分抽取器7匕， 與增益調整器7e之位置者。同樣地，第nc圖係將第8 圖所示接通、斷開信號流之信號開關7f設於第二控制單元 .7内者。更且’在具有不與旋轉速度同步之固有頻率之外 力作用於旋轉體情形下，可以第二控制單元7内之旋㈣ 率成份抽取器7b、7b，作為此固有頻率成分抽取器。 第圖所示係具備第五控制單元u，觀測感測信號， 比較第二控制單元7之信號開關叫通時與成斷開狀態時 之感·測信號之振幅，進行增益調整器7e之大小設定。亦 即，第五控制單元U配置成，比較第二控制單元7之信號 開關7f處於斷開狀態時之感測器輪出之振幅與信號開關 接通時之感測器輸出之振幅’變更增益調整器〜之增 本紙張尺度適用中固圏家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 "436586 A7 五、發明說明（16) 益設定值。以此方式，固然電動機旋轉速度—達到預定值 以上’信號開關7f即藉第三控制單元9成接通狀態，惟可 設定適於增益調整器7e之增益。因此，可更有效抑制振 盡。 - 第13圖所示係具備第六控制單元12,將發自電動掩 控制器而與旋轉速度成比例之電壓信號及感測信號輪入此 等第六控制單元12,同時在就每一旋轉速度預先設定相位 調整值方面，於相位調整器7c設定對應於電動機旋轉速度 之相位調整量者。此時，使用可藉由變化電壓值來變化頻 率之/慮波器電路來作為旋轉頻率成分抽取器7 b。藉此可抽 取對應於電動機旋轉速度之頻率成分。 第14圖所示係將計測、記憶位移感測器輪出信號相對 於習知伺服控制配置之功率放大器輸入信號之傳輸特性c 放大、相位資料之記憶體内裝於第六控制單元12 s自所記 憶資料讀出對應於電動機旋轉速度之相位調整量，於相位 調整器7c設定來作為相位調整量者。藉此可給與分別對應 於旋轉速度之相位變化量’可對自低速至高速之全部領域 進行振盪控制。 苐1 5圖係顯示第六控制單元丨2變形例之圖式。相對 於第14圖所示第六控制單元將磁性軸承之傳輪特性資料_ 存儲於記憶體内，第15圖所示第六控制單元係以類比電路 模擬磁性軸承之傳輸特性者。亦即，如第丨5α圖所示，分 二段使用演算放大器及CR元件構成之初級濾波篛電路f 形成第HB圖之增益特性及第15C團之相位特性。於此， -------------'-氡—— -·- f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· _ -線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 16 311120 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 A7 __B7__ 五、發明說明（17) "~~ ^ 電容元件C’係用來降低廣大範圍的增益，穩定演算増鴨器 之動作者。又，此電路配置係一般用來作為普通PID控制 之微分元件（相位超前電路）。此第1 5B及1 5C囷所示特性 係模擬後述第17圖所示磁性軸承之傳輸特性者。例如可化 與相·對於5OHz約90至100deg程度之相位變化量，25 約65deg程度之相位變化量。並且，於此範圍内，如圖示， 增益大致平直。 以下使用實地機器就上述各控制裝置動作結果加以說 明。 第16圖顯示磁浮式脫水機之試製機，以其作為藉磁性 轴承支持之電動機本體之構造例。以下所述檢驗實驗使用 圖式中之徑向磁性軸承32。此機械分別藉軸向磁性軸承33 及徑向磁性軸承32軸向及徑向支持旋轉軸15，以電動機 3 1旋轉驅動。2 5片8英忖晶圓裝載於位在下側之晶圓爽持 具35。晶圓W外周藉二根固定桿及一根可裝卸活動桿共 計二根支桿支持。因此’其係晶圓位移所產生之不平衡量 與支桿變形所產生之不平衡量起作用者。 第1 7圖顯示一徑向轴承之伺服控制系統特性（相對於. 功率輸入之位移感測器輸出響應）之實測例。其對應於對旋 轉體'起干擾作用之外力（R)與旋轉體和其對應之位移（3)此 R/S _。亦即’以位移感測器之感測信號（s)為分母，為了計 測而與功率放大器輸入信號相加之信號（R)為分子，設頻率 軸為橫軸’放大（增益）及相位（Phose)為縱軸。 若在增益特性上屬已知之位移感測器之靈敏度為常 ammM n t > ff n· ·1 訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度賴t @國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 17 31U20 436586 A7 B7 五、發明說明（18 ) 數：Ks(V/m) ’功率放大器掸 曰益· Kd(A/V)，電磁鐵增益·· 琴/A)(參照第3圖），即獲得磁性轴承剛 量（惟，實際上，由於有各個頻率響應，故不嚴密Γ 實際上，脫水機運轉之頻率範圍為0至5〇Hz(〇至 3_腿（分）.！），判定相位特性於施為胸eg，於“Hz 為65deg程度之值。 於此須注意的是相位特性，亦即旋轉動作頻率中的相 位資訊。此相位資訊係設定於第二控制單元内相位調整器 之調整量之原值。 訂 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 社 印 製 且，相對於功率放大器之輸入電壓（v)之輸出電流（A) 為非線型性，若輸入電壓變大，即會有放大與相位所示頻 率響應顯著劣化的情形發生。亦即，旋轉體之振盪振幅變 大時’有必要對第丨7圖所示相位特性上功率放大器之頻率 響應劣化份加以修正。x ’亦有必要對第二控制單元之輸 出信號輸入於功率放大器，最後力量作用於旋轉體之前之 頻率特性作相同的考慮。惟，較低頻率影響不大’亦可使 用與先前相位特性值相當的值。根據實際結果，修正量即 使是概略值，所得效果亦相同。 第1 8至2 1圖顯示習知開式平衡控制之對應試驗結 果°此試驗目的在於檢驗相加控制信號與感測信號之相位 差係相當於第1 7圖所示磁性軸承剛性之頻率特性對應貪 料之相位資料經推斷至原值而可獲得效果。控制信號係藉 市售信號產生器來產生。 第18及19圖顯示在旋轉速度30001^11^(50 Hz)下， 本紙ikq週財國國家標準（CNS〉A4規格（21Q χ挪公爱） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ________B7 五、發明說明（19 ) 於控制信號與感測信號之間給與第17圖所示相位資料經 推斷之原值，亦即大約i〇8(deg)相位差時之狀態。第18 •圖係控制斷開時之時間波形，第19圖係控制接通時之時間 波开> ’第18 A及19A圖顯示位移感測器輪出信號，第1 8B 圖及·19Β圖顯示控制信號。由此可知，旋轉速度為 3000mni-*(50 Hz)時，一在控制信號與感測信號之間給予大 約108(deg)相位差’旋轉體之振盪即受到抑制。 且，固然未圖示，雖則看得出來該相位量上下變動些 許，卻無法確認效果有多大變大。 第20圖及21圖顯示旋轉速度is〇〇 min_i(25 Hz)下， 於控制信號與感測信號之間給予第17圖所示相位資料經 推斷之原值’亦即大約64.8(deg)時之狀態。第2〇圖係控 制斷開時之時間波形’第21圖係控制接通時之時間波形， 第20A及21A圖顯不相位感測器輸出信號，第及；21B 圖顯示控制信號。由此可知，旋轉速度為15〇〇 min—1(^25 HZ) 時’一在控制信號與感測信號之間給與大約64.8(deg)相位 差，旋轉體之振盪即受到控制。 且’固然未圖示’雖則看得出該相位量上下變動些許， 卻無法確認效果有多大變化。 第22及23圖顯示接著使用第2圖至$圖所示控制型 磁性抽承裝置驗證旋轉體振盡之抑制作用之結果。旋轉速 度為SOOOmin·1 ’第22囷係控制斷開時之時間波形，第23 圖係控制接通時之時間波形，分別地，第2 2 A及2 2 A圖顯 示位移感測器輸出信號，第22B及23B圖顯示控制信號。 ------------* 裝 ----- I--訂 --------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱〉 19 311120 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 436586 A7 五、發明說明（2G) 由此可知，獲得與前述第18及19圖所示相同之結果。第 26圖顯示此實驗所用電路之輸入信號及輸出信號之傳輸 特性。由此圖可知，相位調整量相對於3〇〇〇min_1(5〇Hz) 約有0至lOOdeg之超前。 更且，第24及25圖顯示就不平衡重量增加時，習知 伺服控制觸地情形之驗證結果。於此情形下，分別於正交 旋轉軸之X-Y軸平面之X軸上及Y軸上，在二伺服控制 系統中準備第二控制單元。旋轉速度為3〇〇〇 min·1。第24 圖顯示控制接通狀態’第2 5圖係一面觸地一面旋轉狀態下 本控制接通時之時間波形，於上段顯示χ軸位移感測器輸 出信號之時間波形’於下段顯示γ軸位移感測器輸出信號 之時間波形。無論如何’均可確認抑制振盪之作用。比較 此二例實驗所用相位量與第17圖之相位資料，即可知約增 加20%。更且，如第12圖所示，藉由調整第二控制單元 内增益調整器之設定，可抑制振盪振幅。作用上限依功率 放大器之基本性能及電磁鐵之磁路之磁氣飽和狀況而定。 第27至29圖係顯示即使在旋轉速度急遽變動情形 下’根據本發明電路配置’亦可在第1 6圖所示晶圓脫水機 中，充份抑制旋轉體振盪之實驗資料。 第27圖顯示第二控制單元1 7之配置例。感測信號（輪 入）以功率放大器17a放大，對應旋轉速度之信號藉旋轉速 度同信號抽取器17b抽取例如使用NF電路設計公司製 VT-213PA型式來作為此抽取器17b。並且以相位調整器 17c來給與相位調整量。藉由以比較器ud比較所得信號 一 ί ---------- -- 裝·！—訂---------線 I *- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 20 311120 A7 A7 -經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 五、發明說明（21 ) 與基準信號’遮斷振幅資訊，僅對應於電動機旋轉速度之 頻率及相位資訊傳輸至下游側。並且，以增益調整器l7e、 17f調整增益’與第一控制單元5之信號輸出相加，將控 制電流供至電磁鐵。於此，增益調整器17e係與旋轉速度 無關之增益調整器。又，增益調整器17f係給予與旋轉速 度成比例之增益之旋轉速度比例增益調整器，其使用例如 阿納勒華公司製AD633型式。 第28圖顯示旋轉速度自〇至預定速度急遽上升，在 2400 min·1程度之高速（預定速度）下，進行一定時間之運 轉，其次急遽減速、停止情形下，晶圓脫水機中旋轉體之 振盪狀況。如第28圖所示’可知’藉由旋轉啟動後接通平 衡控制’即使於急遽上升時期，旋轉體之振盪相對於TD 觸地（Touch Down)位準亦有足夠餘裕，且可知，高速旋轉 時一斷開平衡控制’旋轉體之振盪即如第28A及28B圖之 位移感測器輸出所示增大到TD(Touch Down)位準。更且， 即使於急遽下降時’亦不會發生旋轉體的大振盪，使旋轉 體之旋轉停止。 第29圖顯示與第28圖同樣急遽上升及下降時旋轉體. 之振盪情形。於此情形下，旋轉速度上升至3〇〇〇 min」。 於此情形亦可知’如同上述，旋轉體之振盪較諸Td (T〇uch DowJ1)位準有足狗餘裕，可充份抑制振盈。於此情形下， 固然平衡控制一斷開’振盪即於急遽上升時增大至 TD(T〇uch Down)位準，惟藉由一開始接通平衡控制，即使 於急遽上升時’亦可如位移感測器（N〇 1)所示，振盪受到 本紙張尺度適用中®國家標準（CNS)A4規格咖χ视公楚） 裝 --------------線 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 436586 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
A7 五、發明說明（22 ) 稍大程度的抑制。且，仿孩_ ,„ ,Bil ^ , 感測器（No. 1)係設在接近晶圓 二在f雜s ll 1磁14軸承之感測器，位移感測器(N°.2)# 3又在遠離明圓夾持具側之徑向磁性轴承之感測器。 如以上所述’可知，藉由糾‘馇 " 猎甶附加第二控制單元於個別需 要之控制軸，可就1)且右τ ^有過大不平衡量之旋轉體之支持知 , 2)因旋轉體上浮位置，斑 电動機疑轉運動同步之外力 之支持問題’ 3)根據電動機屌理 初很1原理，與旋轉速度同步之徑向 外力之支持問題，改善磁彳生i 2 & & + & # 种水之谷許支持特性，可抑制 旋轉體之振盪s 例如在電動機為二極之感應型電動機情形下，產生與 旋轉速度同步之徑向外力。於此情形下，藉風扇、泵等之 旋轉運動產生流體力之旋轉機械為了維持負荷變動體生之 旋轉運動，增加輸入電動機之電力，I而產生過大的控向 力量。正因為以滾動軸承、滑動軸承支持的話，會使壽命 降低，故旋轉體不能支持。，准’無法使用接觸式軸承的： 形亦復不少’在適用磁性軸承於特殊環境用旋轉機械情形 下，會面臨上述問題。更且，即使於藉由高速旋轉之乾晶 圓等脫水機中’被乾燥物造成之不衡量之大小，相較於普 通磁性軸承支持剛性，亦有過大之情形。 習知滾動軸承、滑動軸承之支持剛性固然很特別，惟 供半導體裝置用，分批處理（25χ η片）晶圓之脫水機依需-要 以採用磁性軸承較佳，惟同樣面臨前述問題。如此，在使 用習知滾動軸承等方面擬使用可非接觸支持之磁性轴承情 形下’由於全體空間 '轴承空間、旋轉體構造已然確
本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 22 311120 A7 A7 •M濟部智慧財產局員工消費合作社印製 __B7__ 五、發明說明（23 ) 故按需要組裝十分大的磁性軸承很困難，雖如此，根據本 發明卻可解決相關問題，可提供一擴大磁性軸承受限性能 之解決方案。 ‘以上說明，根據本發明，僅根據用於旋轉體上浮位 置控制之位移感測信號，即可抑制以磁性軸承支持旋轉體 時所生之過大不平衡量所致之振盪。 又，亦可適用於與旋轉速度同步之干擾以外。其作為 針對於週期性干擾提高磁性軸承之剛性之措施，極具效 果。 [產業上可利用性] 本發明係有關使用磁性軸承來作為旋轉體支持裝置之 該磁性軸承控制裝置。因此，可用來作為使例如半導體裝 置製造用磁浮式脫水機之旋轉軸以磁性上浮支持之磁性軸 承控制裝置。 [元件符號之說明] 1 旋轉體 2a,2b 位移感測器 3a ' 3b 電磁鐵 4 感測放大器 5 第一控制單元 6a,6b 功率放大器 7 第二控制單元 7a,17a功率放大器 7b，7b、 旋轉頻率成分抽取器 7c 相位調整器 7d 信號形成器 7e 增益調整器 7f 信號開關 8 信號合成器 9 第三控制單元 10 第四控制單元 10b 信號產生器 11 第五控制單元 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） 23 311120 ------------裝----I--訂---------線 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 43 65 8 6 A7 _B7 經濟部智慧財產局員工消货合作杜印製 五、發明說明（24 ) 12 第六控制單元 15 旋轉軸 17 第二控制單元 17b 旋轉速度同信號抽取器 17c 相位調整器 17d 比較器 17e,17f增益調整器 31 電動機 32 徑向磁性軸承 33 軸向磁性軸承 35 晶圓爽持具 71a, 71b,73a,73b,10a,77 比較器 74 反相放大器 75a,75b 反相器 76 加算器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 24 311120 I n n n n il·--f « It >-1 .IB II JjDJ_ n n ^1' tt I n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)